Автомат за стълбищно осветление
ASS-14, ver. 04

    След като се наложи скорострелно да направя автомат за стълбищно осветление, който описах като ASS-14, ver.03, за да задоволя недоволните в нашия вход, ми остана време спокойно да обмисля варианти на стълбищен автомат, с които да намаля разходите за вложените материали. Така стигнах и до тази разработка, ако така мога да нарека това простичко и елементарно устройство. Естествено, коригирах пропуските допуснати при предишната версия. Тук е мястото да припомня, че се наложи да преправям нейната печатна платка, която предложих в предишната статия.

    Както казах, най-скъпите части бяха трансформаторът и релето. От релето не мога да лиша автомата, тъй като тиристорите не ми допадат, но трансформаторът елиминирах, като направих захранването директно от променливотоковата мрежа по класическия начин чрез капацитивно съпротивление.

    Естествено, сега вече имах достатъчно време и потърсих подходящи схемни решения каквито има в сп. "Радио, Телевизия и Електроника" и "Млад Конструктор". Най-ценното на прегледа на тези списания беше, че се запознах с кондензаторния метод за трансформиране на мрежовото напрежение в достатъчно ниско, което да бъде изправено и се използва като захранващо напрежение на таймера и релето. Такива схемички имаше много, например: тиристорно регулиране на оборотите на електродвигател, плавно регулиране на мощността на стайното осветление, захранване за инкубатори и много други. От мен се искаше да избера подходящото захранване, падингов кондензатор и стабилитрон за таймера. Разбира се не на последно място беше изолирането на мрежовото напрежение и безопасността, поради което отново избрах същата пластмасова кутия за монтаж на евро шина, която е почти напълно капсулована.

    Но ето няколко принципни схеми на подобни устройства из страниците на списанията и мрежата, които илюстрират директното захранване на схемите чрез падингов кондензатор. На първата схема е реле за време с операционен усилвател, който работи в режим на компаратор:

    Резисторът R10 е токоограничащ, което позволява директно включване на ценеровия диод към токоизправителната група. Разбира се, разнообразни са начините на свързване, но във всички схемички основната група елементи са R10, R11, C3, които осъществяват трансформирането на напрежението 220V в ниско захранващо релето за време. Има и по-простички решения, каквито намерих в мрежата, а по-късно експериментирах. Следващите две принципни схеми дават представа за тях:

    Но както казах по-горе, моята цел не беше просто да "налепя" една чужда схема, а да си направя моя разработка, а освен това бях решил, че ще използвам класическия метод за комутация – релето. В горните схемички има особеност, която искам да подчертая – ценеровия диод служи както като едно от рамената на двуполупериодния изправител, така и като стабилизатор, което е всъщност предимството им – намалява многократно броя на използваните елементи. Но истината е, че те са много зависими от тока на товара и аз се отказах от тях.

    Ето още един пример, който илюстрира използването на този метод в схеми за зареждане на Ni-Ca акумулатори:

    И тук забелязваме същата капацитивна група в захранването, като последователното използване на два кондензатора от 2.2uF вероятно е било продиктувано от факта, че автора си е направил неполярни кондензатори от полярни. И тук ценеровите диоди са в едното рамо на изправителя. Двата транзистора изграждат стабилизатор на ток.

    А сега към моята разработка и пътя по който стигнах до окончателния вариант. И в моята схема съществува групата R7,C8,R6, но не използвам ценеровия диод като изправителен. След това за да облекча работата на таймера NE555 добавих в изхода му транзистор, с който се управлява релето.

    Но не е само това – разработих платката по два начина, съобразени с включването на релето в емитера или колектора на управляващия транзистор. Но ето последователно двете схеми:

    На горната схема D5 може да се замени с ценеров диод, но това ще ви покажа с друга подобна схема. Падинговото съпротивление R6 може да има стойности 100-330 Ohm и служи да ограничи тока през стабилитрона при изключено реле. Неговия ток е ограничен до около 40-50mA, при който ток при включено реле, натоварващо веригата ограничава спада на стабилизираното напрежение до 12.5-13V. Искрогасящата група R8C9 е предвидена на печатните платки. Транзисторът Т1 се явява токов усилвател и повторител. В предишната статия бях споменал, че логическите нива на изхода 3 на ИС не са равни на зхаранващото напрежение и нула, а се различават с +/- 1.5V, а заедно с пада върху емитерния преход на Т1 напрежението е около 2.2V. Точно затова съм избрал захранващо напрежение 15V, така че релето се командва от около 12V, с което се увеличава силата, приложена върху контактите. И тук стартовата верига е изпълнена с RC групата R1C1R2, която може да се елиминира за простота или ако нямаме строги изисквания за формата на стартовия импулс, но аз препоръчвам да се използва. Кондензаторът във времезадаващата верига C3 може да бъде и с други стойности освен посочената, като аз съм използвал 220uF за да получа време на включване на стълбищното осветление от 30 сек. до три и половина минути, което е предостатъчно за придвижване на човек до асансьора или друг ключ за осветление.

    Показаната принципна схема съм преработил, като транзисторът в изхода на интегралния таймер съм включил стандартно, тоест релето е в колекторната му верига и в този случай, захранващото напрежение може да се намали (не препоръчвам 12V), като просто смених ценеровия диод за 13V – BZX85C13.

    И при тази схема забележките, относно замяната на D7, изказани по-горе остават същите. Предлагам печатни платки за горните варианти. Във втората са предвидени мостчета за включване на бобината на релето преди и след стабилизатора. Тоест при добре подбран кондензатор C8 е възможно да се постигне напрежение преди стабилизацията около 25V и следователно да включим реле, управлявано с 24V, а ако запазим схемата на включване и посочените стойности в изправителната част, релето трябва да бъде за 12V. Целта ми беше да разширя възможностите за избор на релета. Реле на 24V е със съпротивление на бобината около 1kOhm, което от своя страна намалява два пъти натоварването на схемата по ток.

    Третата печатна платка е разработена за реле за 12V или 24V и 48V с ток на контактната група 30A. Реализацията на този автомат е трудна, тъй като релето релето за 12V изисква ток на управление около 80-90mA. На тази платка искрогасяща верига няма. Предвиден е само искрогасящ кондензатор, който трябва да има стойност 33-47nF/630V. Но силно препоръчвам кондензаторът да се замени с тази верига, като елементите могат да се монтират вертикално за да се поместят в същото място.

    А сега е време да покажа най-после принципната схема на моята разработка, която е във варианти: с реле за 12V/16A, за 24V/16A, 48V/30A. Но преди това за да стане представянето на пътя който изминах в процеса на реализирането на този стълбищен автомат, ще ви покажа една схема, която, подчертавам – не е принципна и няма за предназначение реализация, а представлява компилация от всички описани по-горе схемни решения на захранването на автомата, като целта е да придобиете представа за елементите, включени на разработените платки, така че всяка една да включва всякакви комбинации:

    Оцветените елементи са тези, които позволяват различните схемни решения. Например: ако R11 съществува, заедно с ценеровия диод D9, но без R10 и D6 се реализира един от вариантите на захранването, в който самия ценер изпълнява двойна роля – и като изправителен елемент и като стабилизатор. Друг пример: ако R11 окъсим с мостче, а D9 е изправителен диод, следва да свържем R10 и D6 и получаваме втори вариант на захранването. Трети пример: червената линия горе е свързана за левия извод на R10, а с промяната на неговата стойност може да използваме реле с бобина за 24V или 48V, но ако я свържем към десния извод на резистора, релето трябва да бъде с бобина за 12V. Нарочно съм дал като номенклатура два различни стабилитрона за да покажа тяхната еквивалентност, тоест какъвто намерите на пазара.

    Ето, изхождайки от тези комбинации съм направил съответните печатни платки. Някой би казал – ама ти си реализирал различни схемни решения а си ги обединил само в една версия v.04 – да, така е, но всъщност основната идея е една и съща при всичките, което определи това мое решение.

    А сега следват двете основни схемни решения, по които съм реализирал автоматите, като първата е изпълнена с реле 12V/16A:

    А следващата схема е реализирана с релета за 24V/16A и 48V/30A:

    С червен цвят е означен проводникът, чието свързване променя начина на захранване на намотката на релето. На предложените печатни платки това свързване е чрез мостчета. В показаната схема се използва реле за 24V, а в т. А с посочената стойност на R10 от 430Ohm трябва да измерите напрежение около +28V. Същата схема използвам и за реле с намотка за 48V, включването е същото, но стойностите са както следва – на резистора R10=1.1-1.2kOhm/0.5W, а измереното напрежение в т.А е +55V. Тук отбелязвам, че няма нищо обезпокоително от по-високото приложено на релето напрежение, тъй като при активно състояние то спада с около 15% (и за двата примера). Не е необходимо да търсим мощен резистор R10, който за стойност 1.1kOhm се получава от два паралелно свързани резистора от 2.2kOhm/0.5W или ако искате да се презапасите може комбинацията да бъде от три резистора по 3.3kOhm. Съответно стойността му 1.2kOhm може да се получи от паралелната комбинация на четири резистора от 4.7kOhm/0.25W. Във всички експерименти ключовият транзистор, който съм използвал е 2N2222A в пластмасов корпус. За реле с намотка за 48V препоръчвам транзистор 2N5551, който е с пробивно напрежение 160V. Същия може да се замести с всеки друг еквивалент.

    Кондензаторния метод на снижаване на захранващото напрежение, който се използва в много такива фабрични и любителски схемни решения е най-евтиния вариант на захранване от мрежата, но има един съществен недостатък – не позволява ток на товара повече от 40-50mA, което в моя случай ограничи избора на релета. Използваните релета в повечето конструкции са със съпротивление на намотката, което независимо от напрежението, с което релето се управлява е за ток около 30-35mA. Например за реле, управлявано с напрежение на намотката 12V, съпротивлението й е 360-370Ohm, за реле, управлявано с напрежение 24V e 1.4kOhm, за 48V – 2kOhm. Всеки би могъл да пресметне, че токът през намотките за всеки един от посочените случаи не превишава 33mA. Контактните системи на тези релета позволяват максимален ток на комутация при 250V – от 10А до 16А. За целите на автоматичното изключване на стълбищното осветление след определено зададено време този ток е достатъчен. Трябва да се има предвид, че макар и общата мощност на лампите, които се комутират (при лампи с мощност 60W и до 10 броя) трудно да превишава 600W, от значение е дължината на кабелите с които са свързани по етажите на сградата, тоест появява се паразитна индуктивност, която е "смърт" за контактите на релето. Именно затова е желателно да се свърже искрогасящата група, показана в схемите. Но не само този проблем създава залепване на контактите и намаляване на комутираната мощност – както казах преди малко, паразитната индуктивност променя фазата, намалява Кф от "1" до 0.5-06 и съответно с толкова се намалява мощността на комутация. Например: дори реле с контактна система 16A, което би следвало при пасивен товар (някакъв нагревател), което комутира 3.3kW, очевидно в конкретния случай няма да комутира повече от 1.5kW. Ако за реле с ток на контактите 16А няма последствия, то за реле с ток на контактите 10А, очевидно този ток спада до 5А и е на прага на реалната работоспособност на релето при същата етажност, както горния пример.

    Но ето завършените конструкции на автоматите за стълбищно осветление. На първите две снимки е реализацията с реле за 48V/30A, с което току-що описаните проблеми не трябва да съществува:

    А на следващите снимки е реализацията на стълбищен автомат с реле с управляващо напрежение 12V и контактна система за 16А и както казах по-горе, има възможност чрез промяна на връзките на печатната платка с мостчета, да се реализират няколко от представените принципни схеми на стълбищен автомат версия v.04. В случая на тази снимка е показана платка върху която е реализиран първия от методите на захранване, при който R11 съществува в комбинация с ценеров диод D9, но без R10 и D6. На мястото на липсващите елементи съм поставил мостчета.

    Във форумите най-честия въпрос е "каква е схемата на свързване на стълбищен автомат към осветлението на сградата, поради което се постарах да включа и нея в това представяне. Така този материал има завършен от практическа гледна точка вид.

    ВНИМАНИЕ: спазвайте порядъка на включване и не разменяйте фазата с нулата!

    И отново искам да повторя и "потретя": за да се избегне искренето на контактите на релето, комутиращи лампите на осветлението, препоръчвам да се включи кондензатор 33-47nF/630V паралелно на контактите или серийна връзка R-C със стойности 47Ohm – 47nF. На снимките кондензаторът не е показан, но на платката, която предлагам е предвиден. Тук искам да отбележа, че изходът от кутията на автомата за захранване на лампите може да се използва за командване на контактор или система от контактори или тиристорно управление, които помагат за значително увеличаване на управляваната мощност. Такава схема на свързване може да намерите в допълнителните материали, които съм приложил.

    Много фабрични автомати за стълбищно осветление са реализирани по описания начин и директно кондензаторно захранване за да се минимизират размерите на автомата. Повечето са изпълнени с по-маломощни релета и с други интегрални схеми, използвани за таймери.

    Ето някои от тях:

    Стойността в лева с ДДС на използваните материали в реализираните от мен стълбищни автомати са както следва:

        1. трансформатор 15V – 4.90 лв.
        2. кутия ABS73 – 6.80 лв.
        3. Реле 12V/24V – 2.80 лв.
        4. кондензатори 400V – 1.20 лв.
        5. електр. кондензатори – 1.20 лв.
        6. клеми, диоди и резистори – 1.20 лв.
        7. стабилитрон – 0.50 лв.

    Тоест, стойността на последната версия на автомата е приемливо ниска: ~14.00 лева, като основната тежест се пада на цената на кутията.

Литература:

1. Шелестов И.П., "Радиолюбителям - Полезные схемы", 2005 год.
2. Кузев, Георги, "Определяне капацитивното съпротивление на кондензаторите", сп. Радио, телевизия и електроника", кн. 8, 2002 год. [pdf][856kb]
3. "За мрежовите токоизправители с кондензаторен вход", сп. "Радио, телевизия и електроника", кн. 8, 2002 год. [pdf][1,9mb]
4. http://www.electronicdesignworks.com/circuits/automatic_staircase_light_1/automatic_staircase_light.htm
5. http://www.electronicdesignworks.com/circuits/automatic_staircase_light_2/automatic_staircase_light_2.htm
6. http://www.electroschematics.com/4865/light-sensitive-switch-circuit/
7. http://electronicsforu.com/newelectronics/circuitarchives/view_article.asp?sno=1228&article_type=1&id=728&tt=unhot
8. https://www.idec.com/language/english/AppNotes/SmartRelay/Lighting%20System.pdf
9. http://www.electroniq.net/other-projects/stair-lighting-electronic-project-using-555-timer.html

Архив [zip-pdf,spl7,pcb,jpg][1,8mb]

Валери Терзиев
15 май 2014 година