Схемотехника и программирование устройств фазового регулирования переменного напряжения.

 Кто из вас не хотел изготовить себе сенсорный диммер с возможностью дистанционного управления светом? Наверное, многие. Так вот и я однажды захотел изготовить себе этот несложный с точки зрения схемотехники девайс. Нашёл в сети интернет более десятка различных схем и решил выбрать для повторения те из них, прошивки которых находились бы в свободном доступе и обладали бы требуемыми мне функциональными возможностями. Но таковых не оказалось вовсе: Более чем из десятка всевозможных схем и программного обеспечения различных авторов те из них, что заслуживали бы повторения, оказались с платными прошивками. Тогда же я, в свою очередь, попытался узнать у авторов цену. Два из них на письма не ответили даже в течение полугода, а два других назвали следующие цены: первый - 12 usd за прошитый микроконтроллер PIC12С509, а второй 15 usd за hex файл прошивки для ATtiny2313. Оба диммера, если верить авторскому описанию, аналогичны по своим функциональным возможностям промышленно выпускаемому «Сапфиру», реализованному на наиболее дешёвом PIC микроконтроллере PIC12С509. Однако стоимость готового заводского диммера «Сапфир-2503» производства  Минской компании «Ноотехника» составляет 15 — 17 usd, что сопоставимо со стоимостью предлагаемых прошивок. Так на что эти авторы надеются? Что их прошивки купят по цене на пару вечнозелёных меньше чем стоимость готового заводского устройства? А где гарантия, что предлагаемые ими программы не глючат? Я нарочно не привожу ссылки на эти разработки. Не хочу заниматься рекламой, а точнее антирекламой…

 Так вот я и решил заняться разработкой общедоступного для повторения устройства с открытыми исходными кодами, аналогичного заводскому «Сапфиру». Учитывая мой богатый опыт по проектированию устройств и после удачного релиза заказного проекта 15-ти канального управляемого диммера, опубликованного здесь ранее, я решил реализовать упрощённый одноканальный диммер. Заодно снабдив его различными полезными функциями насколько, насколько позволит объем памяти наиболее дешёвого и распространённого микроконтроллера AVR ATtiny2313. Можно конечно реализовать устройство и на микроконтроллере PIC, но выбор, как говорится, моё право, а я сторонник микроконтроллеров AVR. Программа диммера написана в среде разработки WinAVR-20100110. Забегая вперёд, скажу, что прочтя статью до конца, читатель сможет не только повторить нормально работающее устройство, но и подправить программу под свои нужды. Желающие просто повторить устройство могут скачать hex файл прошивки по ссылке в конце статьи, запрограммировать микроконтроллер, собрать устройство по схеме на рисунке 1 или 2 ниже и дальше не читать эту статью.

 Итак, основные возможности программы, заложенной в устройство следующие:

- регулировка яркости лампы накаливания в пределах 8 — 92% от номинальной для двухпроводного включения диммера;

- регулировка яркости лампы накаливания в пределах 10 — 99% от номинальной для трёхпроводного включения диммера;

- управление функциями устройства при помощи прикосновения к сенсору, от пульта дистанционного управления (ПДУ) или кнопочного выключателя;

- запоминание кода любой кнопки ПДУ, работающего в кодировке RC5, для управления устройством;

- регулирование яркости лампы при длительном касании сенсора, длительного нажатия на кнопку управления или удержании кнопки ПДУ в нажатом состоянии;

- включение и отключение лампы при кратковременном касании сенсора, нажатии на кнопку управления или запрограммированную кнопку ПДУ;

- функция имитации присутствия хозяев, включаемая и отключаемая при длительном прикосновении к сенсору (более 20 секунд);

- таймер автоматического отключения света при отсутствии команд управления диммером в течении заданного времени;

- функция рассвет (плавное нарастание яркости ламп), продлевающая срок службы ламп.

 Начнём со схемотехники диммеров. Во-первых, необходимо чётко различать что диммеры бывают двух типов: с трёхроводной схемой включения и двухпроводной. Диммеры первого типа подключаются к электросети и лампе нагрузки тремя проводами (рисунок 2).

 Один из проводов (фазный) служит одновременно для питания самого диммера и для подачи напряжения на силовую часть, управляющую лампой. Второй провод является выходом диммера и служит для подключения лампы накаливания. Третий провод — нейтраль, служит лишь для питания диммера. Диммеры с двухпроводным подключением (рисунок 3) включаются последовательно с лампой накаливания и питаются от электросети только в моменты, когда симистор включающий лампу заперт и не шунтирует схему питания самого диммера.

 Каждый из вариантов обладает своими преимуществами и недостатками. Трёхпроводные диммеры позволяют регулировать мощность нагрузки от 0 практически до 100%, но требуют наличия дополнительного провода для питания самого диммера и не могут устанавливаться вместо штатного выключателя освещения. Диммеры с двухпроводной схемой включения, напротив, могут устанавливаться вместо стандартного выключателя, но могут регулировать мощность нагрузки и, соответственно, яркость лампы от 0 до 90%, то есть лампа не сможет светиться на 100% яркости и будет работать с недокалом. Этот момент следует учесть при выборе лампы.

 Как показала практика, для обеспечения нормального питания диммера при указанных на схеме (рисунок 1), номиналах элементов, обеспечивающих приемлемые массогабаритные показатели готового устройства, необходимо, что бы среднее значение напряжения на выходе диммера не превышало 205 В. при входном напряжении 220 В. и мощности нагрузки 40 Вт. При этом, включенная последовательно с диммером лампа накаливания, будет излучать световой поток 72% от номинального, при максимальном напряжении на лампе 205 В. (93% от номинального напряжения 220 В.). На лицо ещё один недостаток двухпроводных диммеров: значительное снижение светоотдачи лампы, так что заявленная производителями экономия электроэнергии представляется сомнительной. Диммер трёхпроводного подключения позволяет установить максимальное выходное напряжение и, соответственно, яркость лампы накаливания, лишь незначительно меньше номинала. Разница между напряжением в электросети и выходным напряжением диммера в этом случае не превысит 1-2 В., которые падают на регулирующем элементе — симмисторе.

 Изображённая на рисунке 1 схема подходит как для диммера трёхпроводного, так и двухпроводного включения. Как показано на рисунке 4, немного другая схема подключения сетевого помехоподавляющего фильтра L1C8 и предохранителя FU1 позволяет реализовать трёхпроводной вариант подключения диммера.

 Кроме того, в этом варианте подключения, используется не сенсорный контакт для ручного управления, а обычный кнопочный выключатель. Но это не обязательно. Просто, таким образом, я хотел показать, что возможно использовать не только сенсорное управление диммером, но и стандартное кнопочное без какой либо переделки основной схемы. При этом транзистор VT1 и резистор R1 из схемы устройства можно исключить.

Теперь немного теории регулирования переменного напряжения.

 Регуляторы с фазовым способом регулирования переменного напряжения выполняются на вентилях с неполным управлением (тиристорах), и поэтому они самые простые и дешевые, но имеют пониженное качество выходного напряжения и потребляемого из сети тока.

Простейший регулятор однофазного переменного напряжения состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров (или одного симистора), соединенных последовательно с нагрузкой, как показано на рисунке 5.

 Выходное напряжение такого регулятора определяется фазовым углом отпирания симистора. Чем раньше относительно начала полупериода сетевого напряжения отопрётся тиристор или симистор, тем большая часть полупериода напряжения поступит в нагрузку. Чем выше напряжение, тем, соответственно, выше яркость свечения лампы накаливания, подключенной к выходу диммера. Изменяя программно задержку момента отпирания симистора, можно изменять и яркость подключенной к диммеру лампы.

Форма напряжения Uн на нагрузке и ток фазы Iн показаны на рис. 6а и 6б для активной и активно-индуктивной нагрузки, соответственно.

 Из рисунка 6 видно, что при подключении индуктивной нагрузки возникает сдвиг фаз между выходным током и напряжением диммера, что приводит к некоторым потерям мощности и дополнительному нагреву тиристора или симистора диммера.

Основной проблемой связанной с фазовым методом регулирования является необходимость обеспечения электромагнитной совместимости. Для небольших систем используются специальные LC-фильтры. Как вскользь упоминалось ранее, в данной схеме это элементы L1C8, образующие Г-образный LC-фильтр.

Теперь о назначении различных элементов схемы (рисунок 1).

 Центральной частью устройства является микроконтроллер DD1 ATtiny2313, но подойдёт и более новый ATtiny2313A. На вход внешнего прерывания микроконтроллера INT0 (PD4) через делитель напряжения, образованный элементами R8 — R10 поступает сетевое напряжение. Падающий фронт напряжения вызывает возникновение прерывания в работе программы микроконтроллера. Именно таким образом управляющая программа микроконтроллера определяет момент перехода сетевым напряжением нулевого значения. Конденсатор С7, ёмкостью 100 пФ. сглаживает короткие импульсные помехи, возникающие при работе импульсных источников питания в электросети и генерируемые симистором самого диммера, для устранения ложного детектирования перехода сетевого напряжения через ноль. Если попытаться рассчитать выходное напряжение делителя, образованного резисторами R8 — R10, то будет понятно, что оно многократно превышает допустимый для микроконтроллера уровень 5,5 В. Однако это не выводит его из строя благодаря находящимся внутри микроконтроллеров AVR защитных диодов. Данные диоды способны длительно выдерживать ток, не превышающий 10 мА., а при указанных номиналах резисторов он менее 0,3 мА. По большому счёту резистор R8 можно исключить из схемы и всё будет работать. Однако для увеличения надёжности устройства лучше его оставить. В схеме делителя нарочно использовано последовательное соединение двух резисторов R9-R10. Применение в верхнем плече делителя двух одинаковых резисторов существенно увеличивает надёжность устройства. При подобном схемотехническом решении возможно использовать резисторы для поверхностного монтажа типоразмера 1206, рассчитанных на номинальное рабочее напряжение не более 250 В. Поскольку амплитудное значение напряжения в корень из двух раз больше среднеквадратичного, то получается что к резисторам приложено напряжение 310 В. при входном 220 В. Отсюда и необходимость применения двух резисторов. При использовании стандартных резисторов мощностью 0,25 Вт. и выше — можно ограничиться одним сопротивлением удвоенного номинала.

На элементах VD3 VD4 реализован стабилизированный однополупериодный выпрямитель. Конденсатор С6, совместно с резистором R6, образуют гасящее сопротивление для параметрического стабилизатора напряжения на стабилитроне VD3. Возможно, стоило бы ограничиться лишь гасящим конденсатором, однако, необходимо помнить, что при подключении к электросети переменного тока незаряженный конденсатор имеет практически нулевое сопротивление. Так что бросок тока при подключении устройства к электросети способен вывести из строя как диод VD4, так и стабилитрон VD4. Так что применение этого резистора — жизненная необходимость. Обращаю ваше внимание на мощность R6: не менее 0,5 Вт. Если при сборке устройства будут использоваться элементы поверхностного монтажа, то допускается вместо одного резистора R6 мощностью 0,5 Вт., устанавливать четыре резистора сопротивлением 100 Ом типоразмера 1206.

Конденсаторы С1 и С2 выполняют роль фильтра питания и служат, соответственно, для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Номинал конденсатора С1 на схеме указан с четырёхкратным запасом. Как показывает практика, нормальная работоспособность устройства обеспечивается при ёмкости 220 мкФ. и более.

Элементы VD1 C5 R4 образуют цепочку сброса микроконтроллера при подаче напряжения питания. Диод VD1 служит для быстрого разряда конденсатора С5 при отключении напряжения в электросети. Это позволяет избежать сбоев в работе устройства при кратковременных провалах сетевого напряжения.

Резистор R5 служит для ограничения тока через светодиод VD2. Пусть вас не смущает его номинал 3,3 кОма. При данном номинале резистора через светодиод протекает ток порядка 1,5 мА., чего вполне достаточно для нормального свечения. Светодиод можно использовать в схеме любой, но желательно сверхяркий. Уменьшение номинала резистора R5 повлечёт за собой увеличение яркости свечения светодиода и рост потребляемого устройством тока. При трёхпроводном подключении устройство остаётся работоспособным при увеличении тока через светодиод до 5 мА., однако при двухпроводном подключении диммера уже при токе 2 мА. начинает сказываться нехватка напряжения питания микропроцессора при максимальных значениях яркости прибора, что проявляется в мерцании лампы.

На транзисторе VT1 собран ключ, который разряжает конденсатор С4 при прикосновении к сенсорной пластине. Это происходит благодаря тому, что наведённая в теле человека ЭДС при прикосновении его к сенсорной пластине или пластиковой крышке вблизи ее, поступая на базу транзистора через резистор R1, открывает транзистор VT1. Обратный заряд конденсатора С4 до напряжения источника питания происходит через резистор R3. Для нормальной работоспособности и высокой чувствительности сенсорного управления необходимо, что бы используемый транзистор обладал значительным (несколько сотен) коэффициентом усиления. Из отечественных на эту роль неплохо подходят транзисторы серии КТ3102. Ёмкость конденсатора С4 возможно придётся подбирать по устойчивому распознаванию длительных и коротких прикосновений к сенсору. Поскольку иногда применение сенсорного управления нежелательно, а предпочтительно использовать кнопочное, эта возможность так же предусмотрена в устройстве. Схема подключения кнопки, заворачивающей цепь коллектор-эмиттер транзистора VT1, приведена на рисунке 4. Как уже говорилось ранее в этом случае VT1 и резистор R1 можно не устанавливать.

Конструкция сенсорного контакта может быть самой разнообразной. Возможно использование открытого сенсорного контакта. Это может быть стандартная сенсорная накладка блочного выключателя освещения (рисунок 7) или скрытая самодельная металлическая пластинка, приклеенная с обратной стороны клавиши стандартного выключателя (рисунок 8).

 Наиболее оптимальным вариантом, с моей точки зрения, является использование стандартных заглушек, внутри корпуса которых собирается вся электрическая схема диммера, а на внутреннюю поверхность пластиковой крышки приклеивается сенсорная пластинка (рисунок 9). При этом необходимо позаботиться об отверстиях для фотоприёмника и светодиода.

 Теперь о фотоприёмнике. Как видно из схемы в качестве фотоприёмника может использоваться практически любой интегральный ФП. Однако для обеспечения максимальной дальности работы желательно убедиться, что он рассчитан на работу с несущей частотой ИК сигнала равной 36 кГц. Об этом свидетельствует наличие чисел xx36 в его маркировке. Его тип и номера выводов нарочно не указаны на схеме. Цоколёвка наиболее распространённых из них приведена в предыдущей моей статье, посвящённой диммерам [1]. Элементы R2C3 выполняют роль простейшего RC-фильтра в цепи питания микросхемы фотоприемника, и служит для разделения цепей питания аналоговой и цифровой части устройства.

Теперь о подключении симистора. Поскольку у начинающих радиолюбителей довольно часто возникает путаница с расположением выводов симистора укажу, что нумерация выводов стандартных симисторов в корпусах ТО-220 обычно следующая (слева направо): М1-M2-G, где М1, М2 — силовые выходы, а G — управляющий электрод. Для обеспечения нормального включения симистора необходимо учесть следующее: нижний по схеме вывод симистора должен быть обязательно подключен к центральному выводу корпуса. В противном случае нормальная работа устройства не гарантируется. Учтите это при проектировании печатной платы устройства.

Для управления симистором используется вывод 4 порта PORTD микроконтроллера. Управляющий электрод симистора VS1 подключен непосредственно к порту микроконтроллера через токоограничивающий защитный резистор R7. На схемах многих самодельных диммеров изображают промежуточный транзисторный ключ. Обычно на транзисторе КТ361 или другом маломощном. Глядя на эти схемы у меня, невольно, возникают сомнения в части, знают ли их авторы закон Ома и нагрузочные характеристики порта микроконтроллера. Даже простые расчёты уровня 8-го класса средней школы, где изучают закон Ома для участка цепи, показывают, что при указанных на схеме номиналах элементов R6C6 и частоте напряжения в электросети 50 Гц. значение сопротивления этой гасящей цепочки составляет около 15 кОм. При напряжении 220 В. ток, короткого замыкания, протекающий через элементы схемы не превысит 15 мА. Порт микроконтроллера, в свою очередь, способен обеспечить выходной ток 40 мА. на вывод, но не более 200 мА. на весь порт. или 400 мА. на весь микроконтроллер. Так зачем городить транзисторы, если даже при возникновении внештатной ситуации микроконтроллер не выйдет из строя?! При указанном на схеме номинале резистора R7 и напряжении питания микроконтроллера 5 В. и вовсе получается, что ток в управляющей цепи симистора не превысит 5,5 мА. в импульсе.

Тип симистора опять же не указан на схеме нарочно. Это сделано потому, что подойдет практически любой из серий BT136, BT137, ВТА41, BTA140, ВТА12, BTB16 и многие другие. Следует лишь убедиться, что максимальное рабочее напряжение не менее 600 В., а максимальный рабочий ток в два раза превышает требуемое нагрузкой значение. Например, популярный симистор BT137-600E рассчитан на напряжение 600 В., о чём говорят три последние цифры его маркировки, и средний прямой ток 8 А., при максимальном импульсном значении тока 71 А. Диммер с данным симистором, установленном на небольшой радиатором согнутый из листа алюминия размером 50x30x2 мм. способен продолжительное время работать при нагрузке мощностью 1 кВт. Размеры радиатора можно приближенно прикинуть из расчета, что на 1 Вт рассеиваемой мощности, что эквивалентно 100 Вт. нагрузки, необходимо около 10 см² эффективной поверхности радиатора (сам корпус симистора рассеивает 10 Вт мощности).

Теперь от теории схемотехники перейдём к программированию микроконтроллеров. Первое что необходимо твёрдо уяснить, что при стандартной схеме включения симистора, которая и используется в данном устройстве, включение симистора должно производиться выводом на порт микроконтроллера логического нуля! Именно нуля, а не единицы. При наличии на выводе 4 PORTD микроконтроллера логической единицы симистор надёжно заперт! Следует учесть так же и тот факт, что нет необходимости обеспечивать наличие логического нуля всё время пока симистор должен быть открыт. Для надёжного отпирания последнего достаточно сформировать на управляющем электроде импульс напряжения продолжительностью не менее 15 мкс. Данное значение справедливо для симисторов семейств BT136, BT137. Для надёжности отпирания симисторов других марок будем подавать на управляющий электрод импульс длительностью 50 мкс.

Принимая во внимание, что лампы накаливания обладают нели-нейной зависимостью видимой световой яркости от уровня питающего напряжения, а так же ввиду выраженной зависимости сопротивления спирали лампы накаливания, а значит и потребляемой мощности, от приложенного к лампе напряжения, следует проанализировать данные зависимости.

В [2] приведена зависимость параметров ламп накаливания от напряжения питания (рисунок 10).

Рисунок 10 — Зависимость параметров ламп накаливания от напряжения питания:

1 - срок службы; 2 — световой поток; 3 — световая отдача; 4 - потребляемая мощность; 5 — потребляемый ток

Однако восприятие уровня яркости человеческим глазом имеет нелинейную логарифмическую зависимость. Например, уменьшение яркости до 25% от максимальной, воспринимается человеком примерно как половинное. График этой зависимости приведён на рисунке 11. Он взят из документа [3] компании Lutron Electronics –производителя регуляторов освещения. По горизонтальной оси графика отложены значения яркости, воспринимаемые человеческим глазом, а по вертикальной — её реальные значения, измеренные люксометром.

Экспериментально установлено, что снижение напряжения на лампах накаливания с номинальным рабочим напряжением 220 В., до уровня 18 В. приводит к полному отсутствию свечения спирали в тёмном помещении. Исходя из этого, решено программно установить минимальное выходное напряжение канала на уровне 20 В. Максимальное выходное напряжение канала, при  напряжении в питающей электросети 220 В., следует программно ограничить на уровне 218 В., так как дальнейшее повышение уровня напряжения не приведёт к росту яркости лампы накаливания ввиду падения напряжения на регулирующем элементе (симисторе).

Рассчитанная и построенная в программе Microsoft Excel кривая регулирования выходного напряжения каналов, обеспечивающая визу-альное равномерное изменение яркости лампы накаливания для 50 шагов регулирования яркости приведена на рисунке 12.

Таблица времени задержки угла отпирания силового симистора получена путем вычисления в программе Microsoft Excel 50-ти интервалов времени за полупериод сетевого напряжения. Интервалы времени рассчитывались из условия равенства интегралов мгновенного значения синусоиды. При этом получаются неравномерные интервалы времени, соответствующие различным уровням мощности. Максимальному уровню мощности соответствует минимальная задержка. При этом каждый последующий шаг регулирования напряжения рассчитывался исходя из условия повышения видимой яркости лампы накаливания на 5% к предыдущему значению.

 Графическая иллюстрация результата расчета приведена на рисунке 12. Как видно из графиков интервал времени между соседними точками на максимуме синусоиды почти в три раза меньше времени первого интервала.

Полученный массива значений, позволяет сделать более равномерным изменение яркости лампы при изменении уровня мощности.

Продолжение: часть2