Автономный источник дежурного освещения с таймером

Автономный источник дежурного освещения с таймером

Содержание

Введение

.        Обзор существующих схемотехнических решений построения устройств дежурного освещения

.1      Дежурное освещение на светодиодах

1.2    Источник <#"800877.files/image001.jpg">

.1 Классическая схема с гасящим конденсатором

Из курса электротехники известно, что конденсатор в цепи переменного тока имеет реактивное сопротивление Xc=1/(2πfC), где f-частота, C - ёмкость конденсатора. Чтобы получить сопротивление конденсатора в районе 2200Ом при частоте 50Гц, ёмкость должна быть C=1/(2*3.14*50*2200)=0.0000014 Фарад. или ~1.4мкФ. Это очень грубый расчет, где не берётся во внимание наличие в схеме выпрямительного моста и сглаживающего конденсатора. Сделаем запас на прочность, взяв ток в 75% от расчётного (яркости светодиодов будет достаточно, а режим их работы станет более щадящим), и возьмём конденсатор ёмкостью 1мкФ. Яркости будет достаточно даже при 0.68мкФ.

В качестве гасящих рекомендуется использовать только специальные помехоподавляющие конденсаторы класса X2, на напряжение не менее 250Вольт. Обычно такие конденсаторы имеют прямоугольную форму и много всяких значков-сертификатов на корпусе. Использование неподходящих конденсаторов может привести к пожару!

Резистор 220 Ом уменьшает бросок тока через конденсатор, при включении. Ведь, разряженный конденсатор, в момент включения, имеет очень маленькое сопротивление и, через всю схему, на доли секунды, протекает очень большой ток. Дополнительно, для защиты светодиодов от бросков тока в момент включения и в процессе работы, в схему включены электролитический конденсатор и мощный стабилитрон.

.2 Макет схемы в корпусе

Для изготовления понадобятся:

небольшая разветкоробка (корпус)

светодиода 0,5 Ватт 100мА

диодный мостик на напряжение не менее 400В и ток 1-2А)

стабилитрон на 5Ватт 14-15 Вольт

электролитический конденсатор 100мкФ на напряжение 100В

конденсатор (класса X2) 0.68-1мкФ на напряжение не менее 250В

резистор 1-2 Ватта на 150-200 Ом.

предохранитель на 1-2 Ампера

колодка (клеммник) на два контакта

1.2 Источник <#"800877.files/image003.jpg">

.3. Принципиальная схема источника освещения с акустическим выключателем

Оно состоит из микрофона ВМ1, формирователя импульсов на транзисторе VT1, одновибратора на триггере DD1.2, счетного триггера DD1.1 и коммутатора на транзисторе VT2. В качестве источника света использован светодиод EL1 повышенной яркости свечения.

Устройство работает следующим образом. После включения питания конденсатор С1 заряжается через резистор R2. В этот момент на резисторе - высокий уровень, который поступает на вход R (вывод 10) D-триггера DD1.1 и устанавливает низкий уровень на его прямом выходе (вывод 13). Транзистор VT2 закрыт, и светодиод EL1 обесточен. Транзистор VT1 также закрыт и на его коллекторе низкий уровень.

Если теперь хлопнуть в ладони, то на выходе микрофона ВМ1 появляются всплески напряжения, которые через конденсатор С2 поступают на базу транзистора VT1 и открывают его. Коллекторный ток увеличивается, и на нагрузке - резисторе R4 - образуется один или несколько (в зависимости от длительности и характера хлопка) импульсов амплитудой, близкой к напряжению источника питания. Интенсивность хлопков в ладони не всегда постоянна, поэтому на резисторе R4 при одном хлопке появляется разное число импульсов. Для того чтобы счетный триггер DD1.1 переключался один раз при каждом хлопке, в устройство введен одновибратор.

Импульсы поступают на вход S (вывод 6) триггера DD1.2 и устанавливают на его прямом выходе (вывод 1) высокий уровень, запуская тем самым одновибратор. Через резистор R6 начинается зарядка конденсатора СЗ, и как только напряжение на нем превысит приблизительно половину напряжения питания, что будет воспринято входом R триггера DD1.2 как высокий уровень, триггер возвратится в состояние с низким уровнем на прямом выходе, а конденсатор СЗ быстро разрядится через диод VD1. На выходе одновибратора формируется импульс напряжения с длительностью Т, определяемой сопротивлением резистора R6 и емкостью конденсатора СЗ:

Т = 0.7*R6*C3,

где емкость конденсатора СЗ - в микрофарадах, а сопротивление резистора R6 - в мегаомах. Для указанных на схеме номиналов элементов - около 0,5 с.

Импульс одновибратора поступит на вход С D-триггера DD1.1. Поскольку инвертирующий выход (вывод 12) DD1.1 соединен с информационным входом D, это превращает его в счетный триггер. Поэтому по фронту импульса одновибратора он переключится в состояние с высоким уровнем на прямом выходе и на затвор транзистора VT2 поступит открывающее напряжение, сопротивление его канала резко уменьшится и светодиод EL1 начнет светить. Длительность сформированного одновибратором импульса в несколько раз превышает длительность хлопка, поэтому переключение будет происходить один раз от одного хлопка. Если теперь еще раз хлопнуть в ладони, то одновибратор снова сформирует импульс и счетный триггер переключится, но на этот раз в состояние с низким уровнем на прямом выходе, сопротивление канала транзистора VT2 увеличится и светодиод EL1 погаснет.

Все детали устройства, кроме батареи и выключателя, монтируют на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1…1,5 мм, изображенной на рис. 2. Плату размещают в корпусе подходящего размера, на котором устанавливают выключатель. В корпусе напротив светодмода и микрофона делают отверстия.

В устройстве использованы резисторы R1 - СПЗ-38а, остальные - МЛТ; конденсаторы С1, С2 - оксидные К50-35 или аналогичные импортные; С2, СЗ - керамические К10-17, КМ-6. Диод можно применить любой кремниевый серий КД102, КДЮЗ, КД503, КД510, КД521, КД522; биполярный транзистор - КТ3107 с любым буквенным индексом. Вместо полевого транзистора КП501А подойдет КП501Б или его функциональный аналог - микросхема К1014КТ1. Микрофон ВМ1 - электретный, например XF-18D. Выключатель SA1 - малогабаритный МТБ-102, SMTS-102 или подобный. Помимо указанного на схеме, можно применить сверхъяркие светодиоды белого свечения ARL-5013UWC, ARL-5613UWW, зеленого - ARL-5213PGC, красного - ARL-5613URW или аналогичные. Для питания можно использовать гальваническую батарею 3R12G или батарею из трех последовательно соединенных гальванических элементов или аккумуляторов типоразмеров АА или AAA. В стационарном варианте подойдет сетевой блок питания, желательно стабилизированный, с выходным напряжением 5 В. В таком случае на корпусе устройства необходимо установить гнездо для подключения внешнего источника питания. Ток, потребляемый устройством в дежурном режиме (когда светодиод не светит), не превышает 0,25 мА. Оно сохраняет работоспособность при снижении напряжения питания до 3 В, но в зависимости от типа светодиода яркость может существенно уменьшиться.

Налаживание ночника заключается в установке подстроечным резистором R1 напряжения на микрофоне в пределах 0,7…1,3 В. Так как микрофон ВМ1 имеет встроенный усилитель, то, изменяя его режим по постоянному току, можно изменять чувствительность. Требуемое значение тока через светодиод, а значит, и яркость его свечения устанавливают подборкой резистора R5.

Поскольку устройство реагирует на акустические сигналы, то при громкой музыке светодиод будет периодически вспыхивать с частотой около 2 Гц. Поэтому ночник может служить индикатором превышения допустимого уровня шума. В этом случае светодиод EL1 следует использовать красного цвета свечения. Интересное применение устройство может найти в различных соревнованиях, конкурсах, где участники должны поочередно с двух-трех попыток зажечь (и погасить) светодиод хлопками в ладони. Победителем считается тот, кому это удастся сделать с наибольшего расстояния.

От редакции. Следует отметить, что в крайних положениях (см. рис. 1) движка резистора R1 чувствительность микрофона резко падает. Чтобы при регулировке этого не происходило, между движком и микрофоном необходимо установить резистор сопротивлением 5,1…10 кОм.

1.3    Светодиодный маяк с таймером

устройство освещение таймер конструкция

Предлагаемое устройство предназначено для временного обозначения каких-либо объектов, мест повышенной опасности, привлечения внимания к выступающим за габариты или аварийно расположенным предметам. Его можно также использовать и в различных играх. Отличительной особенностью маяка является то, что он оснащен таймером, поэтому через определенный интервал времени после включения он автоматически выключается. Максимальная длительность выдержки составляет около 90 мин. В дежурном режиме устройство потребляет ток не более 0,1 мкА, что в большинстве случаев меньше тока саморазрядки батареи. В качестве источника света применен светодиод повышенной яркости, поэтому и в рабочем режиме он экономичен.

.4 Принципиальная схема светодиодного маяка с таймером

Схема устройства показана на рис. 1. На "мигающем" светодиоде HL1 и резисторе R1 собран генератор импульсов, логические элементы DD1.2, DD1.4 выполняют функции инверторов, микросхема DD2 - четырнадцатиразрядный двоичный счетчик, транзистор VT1 обеспечивает коммутацию светодиода HL2.

После подачи питающего напряжения начнется зарядка конденсатора С1 через резистор R2. В данный момент на этом резисторе и входе R счетчика DD2 присутствует высокий уровень, который установит на всех его выходах низкий логический уровень. На выходе элемента DD1.2 будет высокий уровень, и на светодиод HL1 поступит питающее напряжение. Ток, потребляемый "мигающим" светодиодом, периодически резко возрастает, и на резисторе R1 возникает импульс напряжения, который поступает на входы элементов DD1.1 и DD1.3. Стабильность работы генератора невысока, но для таких устройств она не требуется и вполне оправдывается простотой. Поскольку ток через светодиод HL1 не превышает доли миллиампера, его вспышки практически не заметны. С выхода элемента DD1.1 инвертированные импульсы поступают на вход С счетчика DD2, где и осуществляется их счет. Одновременно с импульсом на резисторе R1 формируется импульс и на выходе элемента DD1.4, транзистор VT1 открывается и светодиод HL2 вспыхивает.

С каждым импульсом генератора состояние выходов счетчика изменяется, и когда на выходе 2е (вывод 12 DD2) появится высокий уровень, на выходе элемента DD1.2 высокий уровень сменится низким и работа генератора прекратится. Светодиод HL2 вспыхивать не будет, и в таком - дежурном - состоянии устройство может находиться сколь угодно долго, практически не разряжая батарею, даже если не выключать питание. Для повторного запуска маяка необходимо выключить и снова включить питание. При этом через замкнутый контакт выключателя SA1 конденсатор С2 быстро разрядится, это необходимо и для разрядки конденсатора С1, чтобы при последующем включении маяка установить на выходах счетчика DD2 низкий уровень.

Продолжительность работы маяка зависит от того, к какому из выходов счетчика DD2 подключены входы логического элемента DD1.2 и от частоты "мигающего" светодиода HL1. Для указанных на схеме элементов продолжительность работы составляет примерно 2 мин 20 с. В небольших пределах ее можно изменять подборкой резистора R1 (от 3 до 100 кОм), а в больших - выбором выхода микросхемы DD2, к которому подключены входы элемента DD1.2. Например, для увеличения продолжительности работы маяка в два раза входы элемента DD1.2 следует соединить с выходом 29 (вывод 14) | счетчика DD2. Максимальная продолжительность работы маяка - около 90 мин - будет при соединении входов I элемента DD1.2 с выходом 213 (вывод 3) счетчика DD2.

В устройстве применены постоянные резисторы МЛТ, оксидные конденсаторы - импортные, транзистор КП504А можно заменить транзистором КП501 с любым буквенным индексом или микросхемой КР1014КТ1А. Выключатель питания - любой малогабаритный, например, МТ-1, MTS-102, SMTS-102, светодиод ARL-3014URD-B заменим на ARL-5013URC-B или MSB557DA. Светодиод 10G4DHCBB20 - на ARL-5613URW - красного, ARL-5213PGS - зеленого, ARL-5013UWC, ARL-5613UWW - белого цвета свечения. Для питания можно использовать батарею 3R12P или три соединенных последовательно гальванических элемента типоразмера АА, AAA. Если применен светодиод HL2 красного или зеленого цвета свечения, то работоспособность маяка сохраняется при напряжении источника питания 3...6 В.

Большинство деталей размещены на печатной плате из односторонне фольтированного стеклотекстолита толщиной 1...1.5 мм, чертеж которой показан на рис. 2. Плату устанавливают в прямоугольном пластмассовом корпусе, например, мыльнице размерами примерно 105x65x35 мм. Внешний вид возможного варианта устройства показан на рис. 3. Выключатель питания SA1 крепят на передней панели корпуса, а светодиод HL2 - на верхней стенке.

Перед установкой радиодеталей на печатной плате необходимо смонтировать проволочные перемычки. Для установки микросхем и полевого транзистора желательно применить панели. При этом для транзистора трехгнездовую панель можно сделать самостоятельно, использовав для этого восьмивыводную панель для микросхем. Сначала ее разрезают так, чтобы получилось две панели по четыре вывода, а затем один из них удаляют; сделать это можно с помощью монтажных кусачек.

Частоту и амплитуду импульсов генератора в небольших пределах можно изменить подбором резистора R1. Для изменения продолжительности работы маяка необходимо скорректировать топологию печатной платы. Если она уже изготовлена, то разрезают печатный проводник, соединяющий вывод 12 микросхемы DD2 с выводами 8 и 9 элемента DD1.2, и устанавливают проволочную перемычку между выводами 8, 9 элемента DD1.2 и выбранным выходом счетчика DD2. Ток через светодиод HL2 устанавливают подбором резистора R3, для этого сток и исток транзистора VT1 временно соединяют перемычкой. Увеличивать ток светодиода HL2 до максимального значения (80 мА) нецелесообразно, так как при токе свыше 50 мА яркость его свечения субъективно возрастает незначительно. Чтобы при включении маяка светодиод HL2 в течение установленного времени светил постоянно, следует вывод 1 элемента DD1.3 отсоединить от катода светодиода HL1 и соединить с выводом 2 этого же элемента. При использовании более мощного источника света, например, лампы накаливания, необходимо применить полевые транзисторы IRF3205, IRL2505L и батарею большей емкости.

1.4    Автоматический включатель освещения на базе датчика движения

Человеческое тело является источником инфракрасного излучения. Это свойство используется для создания пассивных датчиков движения в системах автоматического включения освещения и охраны помещений. Такие датчики реагируют на малейшие изменения теплового излучения, вызываемые перемещением предметов в помещении. Устройства называются пироэлектрическими датчиками и состоят из инфракрасного приемника теплового излучения и предварительного усилителя на полевом транзисторе. Для снижения уровня помех перед фотоприемником обычно устанавливается светофильтр, пропускающий излучение только в диапазоне длин волн 5-14 мкм, наиболее характерном для излучения человеческого тела. Чтобы обеспечить защиту от ложных срабатываний, в более сложных датчиках инфракрасный приемник выполняется в виде двух одинаковых приемников, включенных навстречу друг другу. При таком включении напряжения, генерируемые в фотоприемниках от внешней засветки и изменения температуры корпуса датчика, вычитаются и практически полностью компенсируются. Таким образом, устройства реагируют только на изменения инфракрасного излучения и являются датчиками движущихся объектов. Не стоит думать, что такой датчик реагирует на перемещение только нагретых объектов. Так как в помещении всегда присутствует неравномерный тепловой фон, то перемещение даже не нагретого объекта приводит к изменению теплового фона и срабатыванию датчика движения. Примером такого датчика является пироэлектрический датчик IRA-E710 производства компании Murata. Его схематическое устройство показано на рис. 1 В качестве исполнительного элемента использован симистор. В состав устройства входит также датчик внешней освещенности, его можно настроить таким образом, что дополнительное освещение включается только при недостатке естественного. Время, на которое включается освещение, можно регулировать в широких пределах.

Технические характеристики устройства:

• Напряжение питания 220 В ± 10%;

• Максимальная мощность лампы 500 Вт;

• Время включенного состояния от 5 с до 5 мин;

• Дальность срабатывания: 3...5 м;

• Размер печатной платы: 82х40 мм;

• Габариты корпуса: 85х50х35 мм.

Принципиальная электрическая схема устройства показана на рис. 2, а перечень элементов показан на принципиальной схеме.

Рис 1.4. Принципиальная схема Автоматического включатель освещения с датчиком движения

Схема работает следующим образом. Инфракрасное излучение принимается пироэлектрическим приемником PIR1. Так как такой приемник реагирует только на изменение уровня ИК-излучения между площадками приемника, то перед ним устанавливается модуляционная решетка, состоящая из узких горизонтальных прозрачных и непрозрачных полосок. Тепловой объект, перемещаясь поперек них, оказывается поочередно закрыт/открыт для фото-

приемника. Это вызывает появление на выходе фотоприемника переменного напряжения, которое является признаком движущегося объекта. Подбирая ширину модулирующих полосок, можно добиться максимальной чувствительности прибора для объектов заданного размера, а изменяя размер окна модуляционной решетки, можно оптимально сформировать зону обслуживания прибора. Питание на встроенный усилитель пироэлектрического приемника подается через сглаживающий фильтр R1, C1. Выходной сигнал снимается с вывода 2. Резистор R19 является внешней нагрузкой встроенного полевого транзистора. Далее сигнал поступает на усилитель с коэффициентом усиления примерно 150, собранный на DA1 (выводы 1, 2, 3). При отсутствии движения в зоне действия датчика напряжение на выходе ОУ будет неизменным. При появлении движущихся объектов на выходе ОУ появляется переменная составляющая, которая через конденсатор С2 поступает на второй каскад усиления на DA1 (выводы 12, 13, 14). Этот каскад имеет усиление около 100. Далее сигнал подается на компаратор, собранный на DA1 (выводы 8, 9, 10) и имеющий порог срабатывания, задаваемый резистивным делителем R8, R11, R20. В исходном состоянии напряжение на выходе компаратора близко к 0, и конденсатор С7 разряжен. Если переменная составляющая сигнала от датчика движения превышает порог срабатывания компаратора, то на его выходе появляется сигнал высокого уровня, который быстро заряжает время задающий конденсатор С7. Диод VD5 не дает разрядиться конденсатору С7 через низкое выходное сопротивление компаратора. Разряд конденсатора происходит через последовательно соединенные резисторы R14, R22. При помощи переменного резистора R22 время разряда можно изменять от 5 с до 5 мин. Конденсатор С7 подключен к неинвертирующему входу второго компаратора, собранного на DA1 (выводы 5, 6, 7). Порог срабатывания этого компаратора за-дается резистивным делителем R9, R13. Сигнал с выхода этого компаратора поступает на усилитель на транзисторе VT1 и далее на управляющий вывод полупроводникового симистора, который подает напряжение на нагрузку. Время включенного состояния нагрузки определяется суммой продолжительности действия сигнала с датчика движения и постоянной времени разряда цепи С7, R14, R22. теля на R21, R18, C9, VD4, VD6, C8 и двухступенчатого стабилизатора на VD3, R2, C3, VD1.

2.     

. Разработка автономного источника дежурного освещения с таймером на основе микроконтроллера КР140УД1208

.1 Анализ работы источника дежурного освещения, построение и описание его структурной схемы

Предлагаемый прибор - один из вариантов автономного источника дежурного освещения расширенными за счёт применения микроконтроллера возможностями. Данное зарядное устройство с батарейным питанием обеспечивает включение местного дежурного освещения на короткий промежуток времени. Такой способ освещения позволяет экономить электроэнергию, и не зависит от каких либо сбоев в электросети. С помощью хлопка происходит включение устройства, что обеспечивает удобства в использовании. Светодиод повышенной яркости позволяет освещать небольшие участки.

Разработку устройства начнём с построения структурной схемы представленной на рис.2.1. Данное устройство подключается к гальваническому элементу, микроконтроллер выполняет функцию компаратора, и для получения максимального коэффициента усиления по напряжению включен без обратной связи. При подаче сигнала в схему включения освещения, на выходе микроконтроллера появляются один или несколько импульсов напряжения, которые запускают одновибратор, на выходе D-триггера DD1 установится высокий логический уровень, транзистор откроется и включит светодиод.

Рис.2.1. Структурная схема автономного источника дежурного освещения

В структурную схему устройства входят 5 блоков.