Аннотация. В статье рассмотрен вариант контроллера, реализующий плавное противофазное управление яркостью двух гирлянд методом широтно-импульсной модуляции. В то время, когда яркость ламп в одном канале плавно убывает, в другом — возрастает.
Общие сведения. В настоящее время для эстетического светового оформления витрин магазинов, баров, дискотек, наружной рекламы и архитектурного освещения широко используются световые шнуры типа «дюралайт» («Duralight») и «флексилайт» («Flexilight») в различных конфигурациях. «Дюралайт» представляет собой гибкий шнур круглого (реже прямоугольного) сечения из окрашенного светорассеивающего пластика (ПВХ), которым залита гирлянда из миниатюрных лампочек или светодиодов. Количество гирлянд может варьироваться от одной до четырёх. Существуют различные конфигурации «дюралайта»: «фиксинг», «хамелеон», «чейзинг» и «мультичейзинг».
Соответственно перечисленным сериям меняется кратность резки и потребляемая мощность световых шнуров.
Для серии «фиксинг» кратность резки 1 м,
для серии «хамелеон» и «чейзинг» - 2 м,
для серии «мультичейзинг» - 4 м.
Потребляемая мощность «дюралайта» изменяется от 16,38 Вт/м («фиксинг», «чейзинг», «хамелеон») до 21,6 Вт/м («мультичейзинг»).
Обычно один конец отрезка «дюралайта» с помощью переходной муфты соединяется с сетевым шнуром, который подключается непосредственно в сеть 220 В. На другой (свободный) конец надевается пластиковая заглушка. Отрезки «дюралайта» могут соединяться друг с другом разъемом типа «папа-папа» и скрепляются соединительной муфтой или специальной термоусаживающей плёнкой.
В отличие от базовой версии, в улучшенной версии контроллера использован широтно-импусный метод (ШИМ) управления гирляндами, что позволило увеличить дискретность уровней яркости с 16 до 256 и реализовать идеально плавное управление яркостью гирлянд при меньших аппаратных затратах.
В отличие от конструкций контроллеров, доступных в Интернет, предлагаемый вариант не имеет ограничения по продолжительности времени работы. При этом нет необходимости в ходе работы нажимать какие-либо кнопки, чтобы вернуть контроллер в исходное состояние.
Принцип работы. Схема электрическая принципиальная контроллера (рис.1) содержит: 1) два генератора прямоугольных импульсов; ВЧ-генератор, собранный на элементах DD1.1 и DD1.2, стробирующий ШИМ-модулятор, НЧ-генератор, на элементах DD1.3 и DD1.4, управляющий формирователем кодовых комбинаций нарастания-убывания яркости; счётчики DD2.1, DD2.2 –делители частоты на 256; одновибратор на элементах DD3.1, DD3.2; RS-триггер на элементах DD3.3, DD3.4; счётчик с переменным коэффициентом деления DD4, DD5, собственно формирователь кодовых комбинаций нарастания-убывания яркости DD6, DD7, DD8 и схему индикации DD9, HL1…HL16. Для управления мощными ключевыми MOSFET-транзисторами используются буферные формирователи на транзисторах VT2, VT3 и VT6, VT7, сигнал на которые с выходов RS-триггера подаётся через схемы сдвига уровня на транзисторах VT1 и VT5.
Питание буферных формирователей осуществляется от параметрического стабилизатора на элементах R8, R9, VD1, а цифровой части схемы — от маломощного интегрального стабилизатора DA1.
Скорость нарастания-убывания яркости гирлянд задаётся переменным резистором R3, входящим во времязадающую цепь генератора прямоугольных импульсов DD1.3, DD1.4. В устройстве используется так называемый широтно-импусный метод (ШИМ) управления ключевыми MOSFET-транзисторами. При этом яркость зависит от времени нахождения транзистора в открытом состоянии, т.е. от скважности импульсов. Напомним, что скважностью называется отношение периода следования импульсов к их длительности. Следовательно, чем больше скважность, тем больше соотношение период/длительность импульса, тем меньше яркость, и, наоборот, чем меньше скважность, тем больше яркость в данном канале.
Рассмотрим работу контроллера с момента подачи питания, считая, что при этом счётчик DD6 установился в нулевое состояние. При этом на выходе всех элементов «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» также присутствуют уровни лог.0, поскольку на объединённые управляющие входы этих элементов (выводы 2, 5, 13, 9) также приходит уровень лог.0.
Первым же отрицательным перепадом с выхода старшего разряда счётчика DD2.2 запускается одновибратор на элементах DD3.1, DD3.2. На его выходе формируется короткий отрицательный импульс, длительностью несколько десятков наносекунд, который устанавливает RS-триггер в исходное единичное состояние (на выходе DD3.3— уровень лог.1), и происходит одновременная запись текущей двоичной комбинации «00000000» с выходов элементов DD7.1…DD7.4 и DD8.1…DD8.4 в собственные двоичные разряды счётчиков DD4 и DD5. Этот двоичный код определяет коэффициент пересчёта данных счётчиков, а значит, и временной интервал с момента установки RS-триггера в единичное состояние до момента появления отрицательного импульса (сигнала переполнения) на выходе «+CR» (вывод 12) счётчика DD5. Этот временной интервал определяет скважность импульсов на выходах RS-триггера DD3.3-DD3.4. Уровень лог.1 с выхода элемента DD3.3 открывает транзисторы VT3 и VT5, а уровень лог.0 с выхода DD3.4 закрывает VT1, VT2 и VT5, VT6. Следовательно, мощный ключевой MOSFET транзистор VT8 оказывается открытым, а VT4 — закрытым в данный момент времени. При переключении RS-триггера в противоположное состояние, процесс обратный.
При увеличении состояния счётчика DD6 происходит нарастание двоичных комбинаций на его выходах, а значит и на выходах элементов DD7.1…DD7.4 и DD8.1…DD8.4. С увеличением двоичных комбинаций, записываемых во внутренние двоичные разряды счётчиков DD4, DD5, коэффициент их пересчёта уменьшается, поэтому уменьшается и временной интервал с момента стробирования счётчиков импульсом с выхода одновибратора DD3.1, DD3.2 до момента появления сигнала переполнения на выходе «+CR» (вывод 12) счётчика DD5 и переключения RS-триггера в противоположное состояние. При этом скважность импульсов на прямом выходе RS-триггера (вывод 3 элемента DD3.3) увеличивается (яркость в первом канале EL1 убывает), а на инверсном выходе RS-триггера (вывод 6 элемента DD3.4) уменьшается (яркость во втором канале EL2 возрастает).
При достижении счётчиком DD6 своего 256-го состояния на выходе Q9 (вывод 12) появляется уровень лог.1. Все логические элементы DD7.1…DD7.4 и DD8.1…DD8.4 начинают работать в режиме инверсии выходных кодовых комбинаций счётчика DD6, поэтому на их выходах формируются последовательно убывающие двоичные комбинации. Яркость в первом канале (EL1) начинает возрастать, а во втором (EL2) — убывать. Таким образом, осуществляется ШИМ-модуляция яркости гирлянд.
Конструкция и детали. Контроллер собран на печатной плате (рис. 2) размерами 120x95 мм из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.
В устройстве применены резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-2 (R8, R9), конденсаторы постоянные типа К10-17 (С1…С4, С6) и электролитические типа К50-35 (С5, С7); подстроечный резистор R1 — типа СП3-38б в горизонтальном исполнении, переменный R2 может быть любой малогабаритный (с ручкой из изоляционного материала!); транзисторы VT1, VT5 могут быть из серий КТ503, КТ3102 и другие маломощные структуры n-p-n; транзисторы VT2, VT3, VT6, VT7 — обязательно составные средней мощности; светодиоды HL1…HL16 — любого цвета, желательно сверхъяркие, диаметром 5 мм; стабилитрон VD1 должен быть с напряжением стабилизации 10…12 В, например, Д810, Д814В, Д814Г, КС510А, КС512А или BZX55C10, BZX55C12. диод VD2 — кремниевый средней мощности с минимально допустимым обратным напряжением не менее 400 В. Диодный мосты должен быть в вертикальном исполнении типа RS407L или аналогичный. Транзисторы MOSFET типа IRF840 заменимы на IRF740 и другие с минимально допустимым рабочим напряжением сток-исток не менее 400 В и минимально возможным сопротивлением канала в открытом состоянии. Максимальная мощность нагрузки при эксплуатации без радиатора не должна превышать 250 Вт. При большей мощности радиаторы необходимы.
Автором проверены также транзисторы КП7173А отечественного производства. Их параметры: максимальный ток стока Ic=4А, максимально допустимое напряжение сток-исток Uс-и=600В. Сопротивление канала в открытом состоянии не более R<2Ома. Максимальная суммарная мощность гирлянды в одном канале в случае применения транзисторов типа КП7173А без радиатора не должна превышать 100 Вт. Все ИМС серии КР1564 (74HCxx) заменимы на соответствующие аналоги серии КР1554 (74ACxx). Интегральный стабилизатор применён типа КР1181ЕН5А (78L05).
Для индикации яркости и создания эффекта «бегущего огня» в устройство введён дешифратор DD9 и светодиодная линейка HL1…HL16. При желании, дешифратор и светодиоды можно исключить из конструкции без ухудшения функциональности устройства.
Настройка контроллера заключается в установке частоты задающего генератора DD1.1, DD1.2 подстроечным резистором R1 около 512 КГц и выборе желаемой скорости нарастания-убывания яркости гирлянд с помощью переменного резистора R3.
Внимание! Конструкция имеет непосредственную гальваническую связь с сетью переменного тока! Все элементы находятся под напряжением 220 В. При настройке устройства необходимо использовать отвёртку с ручкой из изоляционного материала. Ручка переменного резистора R3 также должна быть выполнена из изоляционного материала.
Отзывы и вопросы по усовершенствованию данного устройства читатели могут направлять в комментарии или через личные сообщения на сайте
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин |
|---|---|---|---|---|---|
| DA1 | Линейный регулятор | КР1181ЕН5А | 1 | 78L05 | Поиск в магазине Отрон |
| DD1, DD3 | Микросхема | КР1564ЛА3 | 2 | 74HC00N | Поиск в магазине Отрон |
| DD2 | Микросхема | КР1564ИЕ19 | 1 | 74HC393N | Поиск в магазине Отрон |
| DD4, DD5 | Микросхема | КР1564ИЕ7 | 2 | 74HC193N | Поиск в магазине Отрон |
| DD6 | Микросхема | КР1564ИЕ20 | 1 | 74HC4040N | Поиск в магазине Отрон |
| DD7, DD8 | Микросхема | КР1564ЛП5 | 2 | 74HC86N | Поиск в магазине Отрон |
| DD9 | Микросхема | КР1564ИД3 | 1 | 74HC154N | Поиск в магазине Отрон |
| VT1, VT5 | Биполярный транзистор | КТ503Б | 2 | Поиск в магазине Отрон | |
| VT2, VT6 | Биполярный транзистор | КТ973Б | 2 | Поиск в магазине Отрон | |
| VT3, VT7 | Биполярный транзистор | КТ972А | 2 | Поиск в магазине Отрон | |
| VT4, VT8 | MOSFET-транзистор | IRF840 | 2 | Поиск в магазине Отрон | |
| VD1 | Стабилитрон | BZX55C12 | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| VD2 | Выпрямительный диод | FR107 | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| VD3 | Диодный мост | RS407L | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| HL1-HL16 | Светодиод | АЛ307А | 16 | Поиск в магазине Отрон | |
| С1 | Конденсатор | 220 пФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| С2, С6 | Конденсатор | 0.47 мкФ | 2 | Поиск в магазине Отрон | |
| С3 | Конденсатор | 100 пФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| С4 | Конденсатор | 0.22 мкФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| С5 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ 10 В | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| С7 | Электролитический конденсатор | 1000 мкФ 16 В | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| R1 | Подстроечный резистор | 10 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| R2, R5, R7 | Резистор | 10 кОм | 3 | Поиск в магазине Отрон | |
| R3 | Переменный резистор | 47 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| R4 | Резистор | 1 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| R4, R6 | Резистор | 22 кОм | 2 | Поиск в магазине Отрон | |
| R8, R9 | Резистор | 36 кОм | 2 | 2 Вт | Поиск в магазине Отрон |
| R10, R14 | Резистор | 12 кОм | 2 | Поиск в магазине Отрон | |
| R11, R15 | Резистор | 7.5 кОм | 2 | Поиск в магазине Отрон | |
| R12, R13, R16, R17 | Резистор | 100 Ом | 4 | Поиск в магазине Отрон | |
| R18 | Резистор | 680 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| EL1, EL2 | Лампочка | 220 В | 2 | Поиск в магазине Отрон | |
| FU1 | Предохранитель | 1 А | 1 | Поиск в магазине Отрон | |
| XN1-XN6 | Клемный зажим | 6 | Поиск в магазине Отрон |
Скачать список элементов (PDF)
0 Комментарии