Цифровой автомат защиты ламп накаливания на транзисторах MOSFET - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Инженерные решения

4106
Цифровой автомат защиты ламп накаливания на транзисторах MOSFET

Цифровой автомат защиты ламп накаливания на транзисторах MOSFET

Александр Одинец, г. Минск

 

Как известно, срок службы лампы накаливания во многом зависит от режима ее работы. Нить лампы накаливания наиболее подвержена разрушению именно в момент включения, когда ее сопротивление в холодном состоянии в несколько раз меньше, чем в разогретом. Плавное увеличение тока в момент включения позволяет избежать разрушения нити и значительно продлить срок службы лампы накаливания. В статье рассматривается не имеющий аналогов цифровой автомат, обеспечивающий плавное нарастание тока в момент включения.

 

Известные автору аналоговые конструкции автоматов защиты ламп накаливания на самом деле обеспечивают только нелинейное нарастание тока в момент включения. Дело в том, что вольтамперная характеристика коммутирующего биполярного или полевого транзистора имеет нелинейный вид. Фактически в начальный момент времени, при включении такого автомата защиты в сеть, ток через лампу накаливания имеет очень малое значение. Далее ток возрастает нелинейно и лавинообразно, пока коммутирующий транзистор не войдет в режим насыщения, соответствующий максимальной яркости свечения лампы накаливания. Таким образом, не удается полностью избежать броска тока через лампу накаливания в момент включения даже при относительно большом значении времени задержки включения. Кроме того, такой режим неблагоприятно сказывается и на работе самих коммутирующих элементов.

Применение цифрового метода управления коммутирующими MOSFET-транзисторами с использованием ШИМ-модуляции позволяет добиться действительно линейного нарастания тока через лампу накаливания в момент включения и, тем самым, обеспечить наиболее благоприятный режим ее эксплуатации. Кроме того, благодаря функции регулятора мощности, ограничивается максимальное напряжение лампы накаливания, так как напряжением в сети обычно возрастает в вечерние часы из-за уменьшения числа потребителей.

 

Работа устройства

Схема автомата показана на рис.1. Вариант включения транзисторов MOSFET в составе регулятора мощности представлен в [1]. В предлагаемом автомате также реализовано управление мощностью путем изменения скважности импульсов ШИМ-сигнала. Частота импульсов составляет около 2 кГц (точное значение 2048 Гц при частоте задающего генератора 32768 Гц). При этом время нарастания яркости от нуля до 75% от максимального значения составляет 1 с.

Работает автомат следующим образом. При подаче питающего напряжения интегрирующая цепочка C2R3 формирует короткий положительный импульс, сбрасывающий счетчики DD3.1 и DD3.2 в исходное нулевое состояние. При этом на входы предустановки счетчика DD5 поступают уровни лог. «0» с выходов счетчика DD3.1. Импульсы задающего генератора DD1.1–DD1.2 делятся 12-разрядным счетчиком DD2 и подаются:

- на вход одновибратора на элементах DD4.1–DD4.2;

- на вход элемента DD3.1;

- на вход счетчика DD3.2.

Одновибратор формирует короткие отрицательные импульсы по спадам импульсов на входе элемента DD4.1 (вывод 1), которые сбрасывают RS-триггер DD4.3–DD4.4 в исходное нулевое состояние и осуществляют предустановку счетчика DD5 по его входу асинхронной записи «С» (вывод 11).

В начальный момент времени счетчик DD3.1 находится в нулевом состоянии, поэтому по входам предустановки D0–D3 счетчика DD5 загружается нулевая двоичная комбинация. Поскольку RS-триггер DD4.3–DD4.4 изначально находится в нулевом состоянии, на выходе DD4.3 присутствует лог. «0». Ключевые транзисторы закрыты, лампа накаливания обесточена. Счетные импульсы по входу суммирования счетчика DD5 (вывод 5) увеличивают его состояние, и, когда счетчик достигнет переполнения, на его выходе переноса «+CR» (вывод 12) сформируется короткий отрицательный импульс, перебрасывающий RS-триггер в противоположное единичное состояние. На выходе DD4.3 появится лог. «1», открывающая ключевые транзисторы и подающая питающее напряжение на лампу накаливания. Описанный процесс повторяется с частотой 2048 Гц и обеспечивает свечение лампы накаливания с минимальной яркостью.

Очередной импульс с выхода «Q11» (вывод 15) счетчика DD2, проходя через элемент DD1.3, увеличивает состояние счетчика DD3.1 на единицу и приводит к увеличению яркости лампы накаливания на 6,5%. Теперь в собственные двоичные разряды счетчика DD5 загружается двоичный код «0001» и так далее по возрастанию, что приводит к увеличению яркости лампы накаливания. При достижении счетчиком DD3.1 двенадцатого состояния, на выходе элемента DD1.4 сформируется уровень лог. «0», который заблокирует прохождение счетных импульсов через элемент DD1.3 и заблокирует работу счетчика DD3.1, который останется в двенадцатом состоянии. Теперь яркость лампы накаливания будет соответствовать 75% от максимальной.

Кроме основной функции, автомат легко приспособить для использования в качестве цифрового регулятора мощности, если исключить счетчик DD3.1 и дополнить его формирователем управляющего кода предустановки по входам счетчика DD5. Этот двоичный код можно сформировать, к примеру, с помощью счетверенной группы микропереключателей или реверсивного счетчика, если дополнить его кнопочным управлением. Также устройство можно дополнить ИМС памяти типа ЭСППЗУ для сохранения установок значения мощности.

 

Конструкция и детали

Автомат собран на печатной плате из двухстороннего стеклотекстолита размерами 65x70 мм (чертеж печатной платы и расположения элементов на ней можно получить по запросу на e-mail: electrik@sea.com.ua), которая устанавливается в стандартную сетевую разветвительную коробку размерами 80x80x40 мм.

В устройстве применены постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-2 (R12), СП3-38б (R1), конденсаторы неполярные типа R10-17, электролитические – К50-35 или импортные, светодиоды сверхъяркие красные диаметром 5 мм.

Стабилитрон VD1 на напряжение стабилизации 9…12 В может быть типа Д809, КС191, Д814Б, В, Г, Д или аналогичный, диод VD2 – кремниевый средней мощности с минимально допустимым обратным напряжением не менее 400 В. Транзисторы MOSFET типа IRF840 заменимы IRF740 и другими с минимально допустимым рабочим напряжением сток-исток не менее 400 В и минимально возможным сопротивлением канала в открытом состоянии. Максимальная мощности нагрузки при эксплуатации без радиатора не должна превышать 250 Вт.

Автором проверены также транзисторы КП7173А отечественного производства. Их параметры: максимальный ток стока Ic=4 А, максимально допустимое напряжение сток-исток Uс-и=600 В. Сопротивление канала в открытом состоянии не более R<2 Ом. Максимальная мощность лампы накаливания в случае применения транзисторов типа КП7173А без радиатора не должна превышать 100 Вт. Все ИМС серии КР1564 (74HCxx) заменимы соответствующими аналогами серии КР1554 (74ACxx). Интегральный стабилизатор применен типа КР142ЕН5А (L7805).

В налаживании автомат практически не нуждается, за исключением выбора желаемого времени нарастания яркости от нуля до 75% резистором R1. Контроль частоты задающего генератора (32768 Гц) производят по миганию светодиода HL1. При указанной частоте и времени нарастания яркости 1 с, частота вспышек светодиода HL1 составляет 1 Гц.

 

Литература

1. Евсеев А. Регулятор мощности на транзисторах MOSFET // Радиомир. – 2006. – №5. – С.18–19.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus