Схема дистанционного акустического светорегулятора
Введение
В данной работе предлагается схема регулятора,
который позволяет дистанционно при помощи акустических звуков управлять
нагрузками, например, светильниками, двигателями и т.д. Исследования схемы
позволит управлять нагрузками плавно, что увеличит срок службы нагрузки. В
будущем, собрав схему и исследуя ее режим работы, можно выработать очень
широкий спектр рекомендаций по применению выбранной схемы.
Физические основы работы акустического
светорегулятора: волны на поверхности воды или вдоль резинового шнура можно
непосредственно видеть. В прозрачной среде - воздухе или жидкости - волны
невидимы. Но при определённых условиях их можно слышать.
Наше ухо воспринимает в виде звука колебания,
частота которых лежит в пределах от 17 до 20 000 Гц. Наибольшее количество
информации мы получаем с помощью света. Испущенный источниками (солнцем, лампой
и т.д.) свет отражается от окружающих предметов и, попадая в глаз, позволяет
судить об их положении и движении. Многие предметы светятся сами.
Объект исследования: дистанционные схемы
управления объектами.
Предмет исследования: исследование акустического
регулятора управления нагрузками.
Цель исследования: изучить возможные области
применения регуляторов выбранного класса.
Гипотеза: настраивая регулятор на определенные
акустические характеристики, можно расширить возможные области применения для
управления нагрузками.
В работе приведены схема регулятора, его
возможные формы и параметры сигналов, а также печатная плата и компоновка
деталей на плате.
Светорегулятор (диммер)
Диммер является переключателем
мощности подключенного к нему бытового осветительного электроприбора. Это
операция производится изменением уровня напряжения, подаваемого на лампу.
Диапазон регулирования мощности изменять от 0 - 100%.
Говоря простыми словами, диммер
или как его еще называют светорегулятор - это такой же выключатель, который
способен не только включать или отключать освещение но и регулировать его
яркость. Этим достигается экономичный расход электроэнергии, потребляемой лишь
при необходимости и в достаточных количествах. Также увеличивается срок службы
ламп, имеющий зависимость от величины подающегося на лампу напряжения.
Одна из сфер его применения -
инновационная технология «Умный дом».
Возможность использования
датчиков, управляющих работой диммеров, открывает широкие возможности в
использовании данных электронных устройств при разработке дизайна помещения.
Подключенный датчик движения позволяет реализовать функцию включения освещения
при входе человека в квартиру.
При выборе диммера, следует
учитывать тип ламп, с которыми он будет использоваться. Принципы регулировки
мощности различных типов ламп (накаливания, галогенных, люминесцентных и др.)
отличаются, поэтому их регуляторы освещения построены по различным схемам:
) разогрев нити накала зависит
от величины напряжение, которое подается на нее со светорегулятора. В
результате меняется ее яркость свечения. Данная схема применяется для
галогенных ламп и ламп накаливания (рабочее напряжение 220 В);
) с применением трансформатора,
преобразующего уровень напряжение, выдаваемого светорегулятором, до значения 12
- 24 В. Эта схема предназначена для работы с низковольтными галогенными
лампами. Следует учитывать, что трансформатор, применяемый в данной схеме,
должен быть электронным и регулируемым, обеспечивающим «мягкое» включение. Это
необходимо, для разогрева нити лампы. При первоначальном небольшом токе
отсутствует ее перегрузка;
) с применением ламп, имеющих в
составе электронный дроссель. Такие лампы называются люминесцентными.
Электронная схема, по которой построен диммер, преобразует напряжение сети до
значений в интервале 0 - 10 В. Это напряжение, поданное на электроды лампы,
регулирует мощность создаваемого между ними электрического разряда, что
управляет силой свечения газа.
Существует 4 способа управления
работой диммера:
механический;
электронный;
акустический;
дистанционный.
Наиболее простой и
распространенный способ - механический (с поворотной ручкой). Он предполагает
наличие в схеме потенциометра, включенного в низковольтную управляющую цепь
силового элемента - тиристора, дросселя, реостата и др.
Светорегулятор диммер,
регулировка напряжения которого имеет электронное управление (кнопки, сенсоры),
имеет в своем составе различные датчики.
Дистанционное управление
светорегулятором осуществляется с помощью пульта управления по радиоканалу или
ИК-сигналами.
А для управления акустическим
светорегулятором применяется звуковой сигнал (хлопок, голосовая команда и др.).
При выборе данного типа
выключателя также следует учитывать суммарную мощность подключаемых к нему
ламп. Значение максимальной мощности диммера рекомендуется выбирать больше
расчетной мощности нагрузки. Стандартная мощность бытовых диммеров колеблется
от 40 до 1000 Вт.
В основе механического диммера
потенциометр, подключённый не непосредственно к нагрузке, а передающий сигнал
через схему управления на силовой элемент (реостат, дроссель, тиристор).
В электронных диммерах возможны
следующие датчики воздействия:
контактный (сенсорный)
бесконтактный (инфракрасный,
ультразвуковой или ёмкостный).
В дистанционных диммерах
управление производится с инфракрасного (IR) или радио (RF) пульта.
Акустический
реагирует на громкий звук или на команды, подаваемые голосом.
В одном приборе могут
одновременно использоваться разные способы управления.
Самые первые диммеры имели
механический способ управления и могли выполнять только одну функцию - изменяли
яркость светильника. Современные микроконтроллерные многофункциональные светорегуляторы имеют
расширенный набор функций:
управление яркостью,
автоматическое отключение,
имитация присутствия,
плавное отключение,
дистанционное управление,
акустическое или голосовое управление.
Диммеры бывают
сигнальными, например с выходным интерфейсом 0-10V. Такие диммеры подают
команды на внешние контроллеры, ЭПРА и другие дополнительные устройства,
которые в свою очередь производят регулирование светового потока, оборотов
двигателя, уровня звука и др.
Простой современный диммер для
переменного тока выполняют, например, по следующей тиристорной схеме:
Диоды
D2…D5 образуют
диодный мост. ZD - динистор, D1 -
диод, R - переменный резистор небольшой
мощности, C -конденсатор, SCR - тиристор,
мощность которого определяет мощность нагрузки.
В первый момент
тиристор SCR закрыт, а конденсатор C заряжается через R. Напряжение во входной
полуволне продолжает нарастать, и в некоторый момент открывается динистор ZD, а
за ним и тиристор SCR. Между клеммами начинает проходить значительный ток, пока
напряжение в полуволне не спадёт до закрытия ZD. Конденсатор при этом
разрядится через D1 и тиристор. Тиристор закроется. На следующем полуцикле всё
повторится.
Нагрузка
подключается последовательно (на рисунке клеммы слева).
Принцип действия такого диммера
состоит в том, что открывая тиристор в разные моменты времени относительно
перехода напряжения через 0, можно «обрезать» синусоидальные волны
регулируемого напряжения и тем самым менять действующее
значение напряжения и ток в нагрузке.
Для подавления
радиопомех мощные диммеры часто снабжаются дросселями.
Большинство диммеров
(регуляторов тока) снабжаются дросселями, чтобы разгрузить довольно жесткий
режим переключений силового ключа (транзистора, тиристора, симистора).
Дроссель, последовательно соединенный с ключом, играет роль усилителя
функциональности диммера, частота переключений ключа в диапазоне 10-30 кГц и
при таких частотах в соответствующем дросселе наводится мощное индуктивное
сопротивление, гасящее ток в цепи нагрузки, но, регулируя скважность периодов с
помощью ключа, изменяем индуктивное сопротивления дросселя.
Недостатки:
Диммер управляет только теми
источниками света, на которые он рассчитан.
Регулируемое напряжение теряет
синусоидальную форму, что приводит к сомнительности его однозначного
дальнейшего преобразования понижающими трансформаторами, которые являются
дополнительными устройствами в цепи и выполняющими функцию адаптера
преобразующего внешние питание в необходимое для источника света.
Могут возникать помехи, вплоть до радиочастотных.
Регулировка нелинейно зависит
от значения R.
С диммерами несовместимы люминесцентные лампы и
любые альтернативные источники света, оснащенные дополнительными устройствами
т.к. ЭПРА, трансформатор,
драйвер тока и т.п..
Некоторые компании, в том числе
мировые лидеры по производству электроустановочных изделий Тесо, уже производят
диммеры для люминесцентных ламп, однако работоспособность его напрямую зависит
от схемотехники электронно-пускорегулирующего аппарата (ЭПРА).
Особенности:
При применении с лампами
накаливания (для их включения «с нуля») позволяют избежать броска тока через
лампу, часто приводящую к её преждевременному перегоранию. Но на практике лампы
всё равно перегорают в момент включения (и даже выключения), хотя возможно и
реже. Кроме того, величина начального напряжения сильно зависит от самого
диммера - некоторые выдают минимальное напряжение, при котором нить накала едва
тлеет, а другие выдают довольно большой минимум, едва ли не в треть накала,
именно при включении.
При регулировке лампы
накаливания изменяется не только яркость, но и цветовая
температура света - чем меньше яркость, тем
она краснее. Однако это позволяет, например, незаметно выключить ночник у постели
спящего ребёнка. акустический регулятор освещение
диммер
Применение:
- Для регулирования яркости
ламп накаливания и люминесцентных ламп с индуктивным
балластом, температуры различных нагревателей резисторного типа (например, паяльников и утюгов).
С осторожностью (рискуя
повредить) можно применять для регулировки частоты
вращения электродвигателей.
Не следует применять для
радиоприёмников, телевизоров и других устройств с трансформаторным питанием или импульсным блоком питания
(в том числе люминесцентные лампы с электронным балластом).
Не рекомендуется,
во избежание влияния помех, включать устройства с диммерами рядом с
радиоприёмниками и чувствительными измерительными приборами. Так, если включён
паяльник с диммером, то на экране осциллографа рядом могут появиться
посторонние сигналы, а прослушивание ДВ/СВ радиоприёмника в комнате с
регулируемым освещением может вообще оказаться невозможным.
Акустический светорегулятор
Предлагаемый регулятор позволяет дистанционно,
просто хлопая в ладоши, включать и выключать торшер или другой светильник с
лампами накаливания и выбирать один из трех уровней его яркости. Изменение
яркости, а том числе при включении, происходит плавно, что заметно продлевает
срок службы ламп.
Хлопок в ладоши выбран в качестве управляющего
сигнала по той причине, что по акустическим характеристикам он заметно
отличается от речи или музыки. Конечно, нельзя исключить срабатывания
регулятора от других резких звуков (взрывов пиротехники, автомобильных гудков
или выхлопов), поэтому не стоит применять этот прибор вне хорошо
звукоизолированного помещения.
Потребляемая светорегулятором мощность не
превышает 4 ВА и зависит в основном от тока холостого хода первичной обмотки
трансформатора питания. Это в несколько раз меньше того, что потребляет в
ждущем режиме музыкальный центр со встроенными часами или телевизор.
Схема регулятора представлена на рис. 1. Сигнал,
принятый микрофоном ВМ1, поступает на усилитель - ОУ DA1.1. Делитель напряжения
R2R3 задает рабочую точку ОУ. Через резистор R1 на электретный микрофон подано
напряжение питания. Конденсатор С1 - разделительный. Коэффициент усиления
отрицательных полуволн сигнала на единицу больше отношения значений сопротивления
резисторов R5 к R4. Положительные «срезает» диод VD1.
Рис. 1 Схема регулятора
При достаточной амплитуде (более 0,9 В) сигнал с
выхода усилителя запускает одновибратор DA3, генерирующий прямоугольный импульс
длительностью приблизительно 0,4 с, зависящей от постоянной времени цепи R11C6.
Пока импульс не закончился, никакие шумовые воздействия на микрофон ВМ1 не
имеют эффекта, что предотвращает непредсказуемые изменения состояния
регулятора.
Резисторы R9 и R10 не только задают начальное
напряжение на выводе 2 одно-вибратора DA3, но и вместе с конденсатором С4
образуют фильтр. Он пропускает только высокочастотные составляющие, которыми
богат спектр хлопка в ладоши, и подавляет низкочастотные, свойственные другим
сигналам и помехам.
Два триггера микросхемы DD1 образуют счетчик,
подсчитывающий число хлопков (импульсов одновибратора DA3). Резисторы R19-R21 и
диоды VD6, VD7 - АЦП, напряжение на выходе которого (инвертирующем входе ОУ
DA1.2) зависит от состояния триггеров, т. е. от числа хлопков. Конденсатор С11
обеспечивает сравнительно медленный переход от одного уровня напряжения к
другому.
При включении питания положительный импульс,
сформированный цепью R13C9VD4, устанавливает счетчик в исходное состояние с
высоким логическим уровнем на выводах 1 и 13. Напряжение на инвертирующем входе
ОУ DA1.2 максимально, так как резисторы R19 и R20 соединены, по существу,
параллельно через открытые диоды VD6 и VD7. В этом же состоянии открыт
транзистор VT4, так как на его эмиттере - низкий логический уровень с
инверсного выхода триггера DD1.2 (вывод 12), а через резистор R17 в цепи базы
течет ток. О назначении этого транзистора будет сказано ниже.
После первого хлопка оба триггера изменят свое
состояние и напряжение на инвертирующем входе ОУ DA1.2 станет нулевым, так как
диоды VD6 и VD7 будут закрыты Второй хлопок установит высокий уровень на выходе
триггера DD1.1, оставляя состояние триггера DD1.2 неизменным. Теперь диод VD6
открыт, VD7 закрыт, а выходное напряжение АЦП формирует резистивный делитель
R19R21. Третий хлопок изменит состояние обоих триггеров. Диод VD6 будет закрыт,
a VD7 открыт. Выходное напряжение задаст делитель R20R21. И, наконец, четвертый
хлопок вернет устройство в исходное состояние. Дальнейшие хлопки приведут к повторению
того же цикла.
Временные диаграммы сигналов в характерных
точках светорегулятора изображены на рис. 2. На базу транзистора VT1 подано
несглаженное пульсирующее напряжение с анода диода VD3 (выхода выпрямителя на
диодном мосте VD2). В конце каждого полупериода и в начале следующего этот
транзистор некоторое время закрыт, a VT2 - открыт и разряжает конденсатор СЮ.
После закрывания транзистора VT2 конденсатор заряжается через резистор R14 и
напряжение на неинвертирующем входе (выводе 6) ОУ DA1.2 растет почти линейно.
Рис.2 Временные диаграммы сигналов в характерных
точках светорегулятора
ОУ DA1.2 (служащий в данном случае компаратором)
формирует на выходе (выводе 10) последовательность положительных импульсов,
длительность которых тем больше, чем меньше напряжение на инвертирующем входе
(выводе 7) ОУ. Если оно равно нулю, на выходе ОУ - положительное постоянное
напряжение, а если превышает амплитуду пилообразного на выводе 6, выходное
напряжение ОУ близко к нулю, но не равно ему из-за особенностей устройства ОУ
Чтобы при низком уровне напряжения на выходе ОУ DA1.2 транзистор VT3 был
надежно закрыт, предусмотрен стабилитрон VD5, «отсекающий» излишек напряжения.
При некотором сочетании номиналов резисторов
R19-R21 напряжение на инвертирующем входе ОУ DA1.2 в исходном состоянии
регулятора может оказаться меньшим амплитуды «пилы», в результате лампа EL1 не
будет выключена полностью. Для исключения такой ситуации предусмотрен
транзистор VT4, речь о котором шла выше. Когда он открыт, пилообразное
напряжение ограничено на очень низком уровне. Диод VD8 устраняет влияние
транзистора VT4 на работу генератора, когда на выводе 13 триггера DD1.2
установлен высокий логический уровень.
В коллекторную цепь транзистора VT3 включен
излучающий диод оптрона U1. Если транзистор открыт, открыт и фотодинистор
оптрона, замыкающий через диодный мост VD9 и резистор R22 цепь управлений
симистора VS1. В зависимости от доли длительности каждого полупериода, в
течение которой симистор открыт, изменяются эффективное значение поступающего
на лампу EL1 напряжения и яркость ее свечения. Так как симистор открывается и в
положительных, и в отрицательных полупериодах, мерцание лампы незаметно и при
пониженной яркости.
Налаживание светорегулятора начинают с установки
необходимой акустической чувствительности. Учтите, с увеличением номинала
резистора R5 растет не только чувствительность, но и вероятность ложных
срабатываний от посторонних звуков. Уровни промежуточных ступеней яркости можно
изменить по своему усмотрению, подбирая номиналы резисторов R19 и R20.
Увеличение емкости конденсатора С11 приводит к более медленному нарастанию или
спаду яркости после очередного хлопка.
Печатная плата светорегулятора и расположение
элементов на ней изображены на рис. 3. Конденсаторы С6 и СЮ должны быть
пленочными серии К73-9 или К73-17. Керамические конденсаторы (К10-17 или
импортные) здесь нежелательны из-за большого ТКЕ. Однако их можно применять в
качестве С1, С2, С4 и С8. Оксидные конденсаторы - любые, подходящие по габаритам
и рабочему напряжению. Мощность резисторов R18 и R22 не должна быть меньше
указанной на схеме.
Рис. 3 Печатная плата светорегулятора и
расположение элементов на ней
Стабилитрон КС133Г можно заменить другим (например,
импортным) с таким же или немного меньшим напряжением и возможно меньшим
минимальным током стабилизации. В качестве диода VD3 подойдет любой
выпрямительный с допустимым прямым током не менее 0,3 А, вместо остальных -
диоды серий КД510, КД521, КД522. Транзисторы VT1-VT4 - любые структуры п-р-п с
допустимым током коллектора не менее 100 мА и коэффициентом h21Э
более 50. Микросхему К140УД20 можно заменить на КР140УД20А, К561ТМ2 - на
К1561ТМ2, а вместо интегрального стабилизатора КР142ЕН8Б применить КР1157ЕН12
(с любым буквенным индексом), КР1170ЕН12 или импортный с напряжением
стабилизации 12 В и допустимым током нагрузки не менее 50 мА.
Электретный микрофон ВМ1 можно заменить
электродинамическим, в этом случае резистор R1 устанавливать не следует.
Симистор ТС112-10 можно заменить на КУ208В или КУ208Г. При общей мощности ламп
светильника более 100 Вт симистор необходимо установить на теплоотвод. Плавкую
вставку FU1 выбирают с током срабатывания, превышающим в 1,5...2 раза
номинальный ток светильника.
Трансформатор Т1 - любой, обеспечивающий
напряжение на вторичной обмотке 12... 16 В при токе не менее 50 мА. При
возможности выбора предпочтение следует отдать трансформатору с минимальным
значением тока холостого хода первичной обмотки.
Описанный акустический светорегулятор нетрудно
превратить в сенсорный. Достаточно заменить микрофон ВМ1 и резистор R1
металлической пластиной, соединенной с левым (по схеме) выводом конденсатора
С1. Регулятор будет срабатывать при касании пластины рукой.
Заключение
- от английского dim - затемнять, используется
как сокращённое обозначение регулятора яркости. В радиолюбительской литературе
описано немало разнообразных тиристорных и симисторных регуляторов, которые
благодаря высокому КПД и малым габаритам устройства достаточно популярны.
Небольшая доработка позволяет несколько модернизировать старый вариант таких
регуляторов.
Схемотехника устройства традиционна - импульсное
управление реализовано на генераторе коротких импульсов, синхронизированном с
частотой сети за счет пульсирующего напряжения питания, собранном на аналоге
однопереходного транзистора (VT2, VT3). Эти импульсы управляют открыванием
тиристора VS1. Аналоги транзисторов: S9012 - KT502, S9013 - KT503.
Также генератор управляющих импульсов содержит
управляемый напряжением источник тока на транзисторе VT1, благодаря чему стало
возможным изменять момент открывания тиристора, посредством изменяющегося
напряжения на конденсаторе С2.
При замыкании одной из кнопок (SА1,SА2)
управления светорегулятором, напряжение на затворе VT1 по мере заряда или
разряда конденсатора С1 серез резистор R2, будет либо увеличиваться, либо
уменьшаться. Если ни одна из кнопок не нажата, то на конденсаторе С1 некий
потенциал остается. Конденсатор подбирается с возможно меньшим током утечки. От
величины напряжения на затворе VT1 зависит напряжение на истоке, через который
заряжается конденсатор С2.
Питается dimmer от сети 220в через диодный через
мостовой выпрямитель, гасящий резистор R1 и параметрический стабилизатор на
стабилитроне 5,6-7,5в. В качестве стабилитрона использован переход транзистора
S9014.
От типа применяемого тиристора зависит мощность,
какая будет подключена в качестве нагрузки. При подборе учитывается единственое
требование - малый ток открывания тиристора. Если теоретически мощность не
будет превышать 60Вт - это стандартная настольная лампа, то будут хорошо
работать тиристоры извлеченные из китайского контроллера управления новогодними
гирляндами.
Список литературы
1. Евсеев Ю. А., Крылов
С. С. Симисторы и их применение в бытовой электроаппаратуре. - М.:
Энергоатомиздат, 1999. - ISBN 5-283-00553-4.
2. Журнал Радио 6 номер 2004 год.
http://www.chipinfo.ru/literature/radio/200406/p45-46.html