Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Arrow Multisolution Day
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Impulsator/przerywacz żarówek 230V

Atreyu 25 Mar 2013 19:35 20313 10
  • Impulsator/przerywacz żarówek 230V

    Podstawowym założeniem projektu było opracowanie kopii przerywacza do żarówkowej reklamy zewnętrznej, a także utrwalenie zasad budowy zasilaczy beztransformatorowych i stopni sterujących triakami. Od wielu lat znajomy posiada reklamę swojej działalności, a sterowały nią dwa moduły przerywaczy tyrystorowych opracowanych w latach 80 XX wieku. Moduły te nie były ze sobą w żaden sposób zsynchronizowane, więc efekt wizualny był, delikatnie to ujmując, dosyć chaotyczny. Wiele lat temu jeden z modułów sterujących uległ uszkodzeniu, a następnie całkowitemu zwęgleniu w skutek jakiejś wewnętrznej awarii, drugi przestał działać i wylądował w piwnicy. Kilka miesięcy temu poproszono mnie o naprawę zachowanego egzemplarza i wykonanie kopii takiego modułu celem ponownego uruchomienia reklamy.

    WERSJA ORYGINALNA:

    Impulsator/przerywacz żarówek 230V

    Moduł, który trafił w moje ręce był w złym stanie technicznym, nie za bardzo było wiadomo, gdzie podłączało się obciążenie, brakowało jednego z elementów. Rozpocząłem pracę od rozrysowania jego schematu:

    Impulsator/przerywacz żarówek 230V

    Jak widać, jest to dosyć prosty układ zasilany bezpośrednio z sieci. Głównymi blokami układu jest zasilacz beztransformatorowy, multiwibrator, stopień sterujący i stopień wykonawczy. Na uwagę zasługuje szczególne wykonanie stopnia wykonawczego. W czasach, gdy tyrystor był dobrem luksusowym, a o trakach w ogóle się nie śniło, ówczesnemu projektantowi przyszła do głowy ciekawa koncepcja tyrystorowego przełącznika dwupołówkowego z jednopolaryzacyjnym sterowaniem bramki. Aby nie stosować kłopotliwego transformatora zmieniającego polaryzację impulsu bramkującego, zastosował ciekawą koncepcję wyzwalania bramki drugiego tyrystora poprzez ładunek zgromadzony w kondensatorze pomocniczym (1µF) . Można więc w dużym uproszczeniu powiedzieć, że otwarcie pierwszego tyrystora ładuje kondensator pomocniczy, aby w drugiej połówce przebiegu sieciowego energia zgromadzona w kondensatorze otwierała drugi tyrystor, przez co układ ten zachowuje się jak triak. Multiwibrator to w zasadzie rozwiązanie książkowe. Różnice w wartościach rezystorów polaryzujących bazy tranzystorów mają za zadanie skompensowanie dużych wahań napięcia zasilającego multiwibrator wynikającego z braku stabilizacji oraz ze sposobu pracy stopnia sterującego, a tym samym utrzymaniem stałego wypełnienia impulsów bramkujących.

    Jako ciekawostkę dodam tylko, że według słów właściciela tego urządzenia, moduły te były powszechnie używane w drugiej połowie lat 80 XX wieku w zewnętrznym oświetleniu świąteczno-noworocznym. Większość choinek w moim mieście była wówczas podobno obwieszona kolorowymi żarówkami sterowanymi przez takie moduły.

    Impulsator/przerywacz żarówek 230V

    Moduł oryginalny naprawiłem, brakujący rezystor (4,7MΩ) dobrałem na podstawie pomiarów napięć pracującego układu. Koniecznym okazało się zwiększenie oporności rezystora 100Ω pomiędzy emiterem ostatniego tranzystora a masą do wartości 390Ω, choć przyznać się muszę, że do chwili obecnej nie mam pojęcia dlaczego układ kiedyś działał z rezystorem o mniejszej oporności. Po zakonserwowaniu płytki i wygrzaniu uległy uszkodzeniu kondensatory 10µF, wymieniłem więc wszystkie elektrolity na fabrycznie nowe. Kolejne testy ujawniły dalsze problemy z „niepewnym” wyzwalaniem tyrystora, co poskutkowało dalszym zwiększeniem wartości rezystora emiterowego ostatniego tranzystora do 560Ω. Dalsza redukcja wartości tego rezystora przyniosła z kolei mniejsze wahania napięcia zasilacza, konieczna okazała się korekcja wypełnienia impulsów z multiwibratora poprzez korektę pojemności kondensatorów. Po tych zabiegach moduł pracuje poprawnie, choć przyznać trzeba, że opisane powyżej problemy z jego uruchomieniem po wielu latach, zniechęciły mnie do dalszej pracy nad nim.

    NOWA WERSJA I:

    Po zapoznaniu się z budową oryginalnego modułu doszedłem do wniosku, że zabawa z wykonaniem kopii takiego układu jest bezcelowa. Najprostszym i najskuteczniejszym rozwiązaniem takiego problemu (poza zakupem dedykowanego procesorowego sterownika programowalnego lub szynowego przekaźnika czasowego) było wykonanie nowego modułu z użyciem nowszych elementów, do których projektant oryginalnego przerywacza nie miał dostępu. Stwierdziłem też, że od razu zbuduję wersję dwukanałową zastępującą dwa starego typu układy tyrystorowe. Pierwsze, co mi wpadło do głowy to oczywiście zastosowanie popularnego timera NE555.

    Impulsator/przerywacz żarówek 230V

    W nowej wersji układ posiada trzy proste bloki funkcjonalne:

    * zasilacz beztransformatorowy ze stabilizacją napięcia
    * multiwibrator
    * stopień wykonawczy

    Zasilacz beztransformatorowy, w przeciwieństwie do pierwotnego rozwiązania, oparty jest o kondensator foliowy CA stanowiący główny jego element. Kondensator ten powinien cechować się napięciem roboczym minimum 250V AC, lub 620V DC w wykonaniu MKP lub ewentualnie MKT. Rezystor RA ogranicza prąd ładowania kondensatora i tym samym uderzeniowy prąd płynący przez diodę zenera DA. Stabilizacja napięcia wprowadzona została celowo, aby w razie uszkodzenia triaka (przerwa pomiędzy A1 i G) nie nastąpiło rozerwanie kondensatorów elektrolitycznych lub układu scalonego spowodowane przez gwałtowny i niekontrolowany wzrost napięcia. Dioda prostownicza DB pracuje na relatywnie niskim napięciu zwrotnym, gdyż w zależności od aktualnej polaryzacji przebiegu sieciowego napięcie odkładające się na diodzie Zenera DA wynosi na zmianę 0,6V lub 13V. Z powodu stosowania triaków jako elementów wykonawczych, i tym samym konieczności zachowania identycznego potencjału elektrod A1 traików i generatora, w rachubę wchodził więc jedynie prostownik półokresowy o ograniczonej sprawności, co przełożyło się na zastosowanie timera 555 w wykonaniu C-MOS o minimalnym zużyciu prądu. Aplikacyjny układ generatora astabilnego o stałym wypełnieniu 50% został dodatkowo wybrany do tej konstrukcji, gdyż ułatwiało to sterowanie jednym z traków poprzez nieużywany w tej aplikacji wewnętrzny tranzystor rozładowujący. Częstotliwość pracy układu zależy od pojemności CC i rezystancji RC. Elementami wykonawczymi są dwa traki TR1 i TR2, które otwierają się naprzemiennie, zastępując pracę dwóch starych modułów tyrystorowych. Do elektrod traków A1 i A2 dołączone są typowe układy gasikowe (RF-CE i RH-CF) wspomagające zamknięcie traka przy obciążeniu indukcyjnym.

    Zmontowany prototyp nie działał jednak poprawnie. Wyzwalanie triaków w IV zakresie pracy wymaga stosunkowo dużego prądu bramki, którego nie był w stanie dostarczyć prosty jednopołówkowy zasilacz. Efektem tego była pulsacyjna praca żarówek – traki nie były otwierane do „końca”, i zachowywały się jak tyrystory. Teoretycznie można było zwiększyć prąd bramek triaków zwiększając wydajność prądową zasilacza poprzez podniesienie pojemności kondensatora CA, ale pociągnęło by to za sobą większe jego gabaryty, większą moc strat na rezystorze RA oraz większy prąd uderzeniowy diody Zenera DA, przez co musiałby być to element kilkuwatowy.

    NOWA WERSJA II:

    Impulsator/przerywacz żarówek 230V

    Wyjściem z tej sytuacji było przeprojektowanie układu tak, aby triaki wyzwalane były w II i III zakresie pracy, czyli w warunkach dużej czułości bramki. Zakres pracy triaka II i III to ujemna polaryzacja impulsów bramkujących względem anody A1. Po stosunkowo niewielkich modyfikacjach powstał taki oto schemat:

    Impulsator/przerywacz żarówek 230V

    Modyfikacje objęły zmianę potencjału masy układu, i związane z tym drobne zmiany obwodów wyjściowych. W tej wersji wewnętrzny tranzystor rozładowujący steruje bramkę triaka TR1, a bramka triaka TR2 sterowana jest z prostego inwertera na tranzystorze T. Tranzystor powinien cechować się dużym współczynnikiem wzmocnienia prądowego (>400), gdyż celowo ograniczyłem prąd jego bazy do absolutnie niezbędnego minimum, aby zaoszczędzić kilka cennych miliamperów. W egzemplarzu testowym użyty został archaiczny tranzystor BC149C o współczynniku hFE około 550.

    Code:
    Lista elementów:
    
    IC - LMC555, TS555 lub ICM7555
    T  - BC548C lub odpowiednik
    TR1, TR2 - BTA06/600C
    D1 - BZX85C13
    D2 - 1N4001
    F - WTA-G 5A/250V
    R1 - 330Ω / 1 W
    R2 - 47kΩ / 1 W
    R3 - 220kΩ / 0,25W
    R4 - 330kΩ / 0,25W
    R5,R6 - 680Ω / 0,25W
    R7,R8 - 75Ω / 1W
    C1 - 680nF / 250VAC MKP
    C2 - 470µF / 16V
    C3 - 2,2µF / 16V
    C4 - 10nF / 63V MON
    C5, C6 - 10nF / 250VAC MKP
    INNE - łączówki śrubowe o rastrze 5mm i prądzie maksymalnym 6A. Gniazdo wkładki WTA

    PROJEKT PCB:

    Impulsator/przerywacz żarówek 230V Impulsator/przerywacz żarówek 230V

    Zmontowany układ modelowy działa prawidłowo z triakami BTA06/600B i C, nie działa jednak prawidłowo z triakami o większym prądzie znamionowym np. BTA12/600B, a nawet z wysokoczułym BTA12/600TW. Dodatkowo układ ten cechuje się brakiem załączania odbiorników w tzw. zerze (czyli przy przejściu półfal przebiegu sieciowego poprzez zero), co ma wpływ na generowane zakłócenia, dlatego opracowałem jeszcze jedną wersję tego układu.

    NOWA WERSJA III

    Impulsator/przerywacz żarówek 230V

    W tej wersji powróciłem do bardziej „naturalnego” dla mnie zasilacza z minusem na masie, zastosowałem jednak optotriaki, aby pewniej sterować triakami (wyzwalanie triaka w I i III zakresie pracy), załączać odbiorniki w „zerze”, a także zminimalizować prąd wyzwalania każdego z triaków. Przez zastosowanie optotriaków o dużej czułości (5mA) udało się zmniejszyć pojemność kondensatora zasilacza C1 do 220nF. Niepotrzebny stał się także tranzystorowy inwerter.

    Impulsator/przerywacz żarówek 230V

    Ostatnia, trzecia, wersja tego układu wydaje się być najbardziej odpowiednia. Generuje ona minimalne zakłócenia przy przełączaniu odbiorników prądu, umożliwia łatwiejsze sterowanie odbiornikami indukcyjnymi (np. transformatory rozproszeniowe do zimnoelektrodowych rur wyładowczych , tzw „neony”), umożliwia stosowanie triaków dużej mocy (sprawdzone działanie z BTA41/600B) a nawet bezproblemowe stosowanie alternistorów zamiast triaków.
    Code:
    Lista elementów:
    
    IC1 - LMC555, TS555 lub ICM7555
    IC2, IC3 - MOC3043
    TR1, TR2 - BTA16/600B
    D1 - BZX85C13
    D2 - 1N4001
    F - WTA-G 5A/250V
    R1 - 330Ω / 1 W
    R2 - 47kΩ / 1 W
    R3 - 330kΩ / 0,25W
    R4, R5 - 2,2kΩ / 0,25W
    R6-R9 - 220Ω / 0,25W
    R10,R11 - 75Ω / 1W
    C1 - 220nF / 250VAC MKP
    C2 - 470µF / 16V
    C3 - 2,2µF / 16V
    C4 - 10nF / 63V MON
    C5, C6 - 10nF / 250VAC MKP
    INNE - łączówki śrubowe o rastrze 5mm i prądzie maksymalnym 6A. Gniazdo wkładki WTA.

    PROJEKT PCB:

    Impulsator/przerywacz żarówek 230V Impulsator/przerywacz żarówek 230V

    ŚWIATŁO OSTRZEGAWCZE BRAMY AUTOMATYCZNEJ

    Ten prymitywny projekcik w sam raz nadaje się do zastosowania jako światło ostrzegawcze do bramy automatycznej. Ponieważ w wypadku takiego światła ostrzegawczego pracuje w lampie tylko jedna żarówka małej mocy, można śmiało wykorzystać wersję przerywacza bez transoptorów, pozbawiając ją dodatkowo układów gasikowych.

    Impulsator/przerywacz żarówek 230V

    Na płytce nie montujemy następujących elementów: T, R6, R3, TR2, R8, C6, R7, C5. Pozostałe elementy montujemy według wcześniej umieszczonej listy. Wartość bezpiecznika F można w takim wypadku zmniejszyć do 1A, jednak bezwzględnie w wykonaniu WTA-G.

    PODSUMOWANIE:

    Code:
    Podstawowe dane techniczne modułu:
    
    napięcie zasilania: 190-250VAC
    pobór mocy: ~2W
    obciążalność: 1kW na kanał


    KOSZT BUDOWY (bez PCB) <10zł

    Układ został sprawdzony pod względem poboru mocy, obciążalności i rozkładu temperatur elementów elektronicznych z udziałem obciążeń oporowych (żarówki konwencjonalne) oraz transformatora Tr.N-50/4500V/50mA/225VA (prod. Spójnia Warszawa) wraz z ~8m szkła neonowego Ar-Hg.

    UWAGI:

    Układ pracuje na potencjale sieci elektrycznej, tym samym występują w nim napięcia groźne dla życia i zdrowia. Zaleca się stosowanie obudowy układu z tworzywa sztucznego, lub ewentualnie montaż modułu w szczelnie zamkniętej oprawie żarówkowej. Autor projektu nie odpowiada za ewentualne szkody spowodowane pracą niniejszego układu. Projekt ten ma wyłącznie znaczenie dydaktyczno – szkoleniowe, i nie jest przeznaczony do produkcji seryjnej. Pomimo ewidentnej prostoty układowej prezentowanego urządzenia ZALECAM jego montaż wyłącznie osobom posiadającym pewne doświadczenie w budowie układów elektronicznych. Stosowanie jakichkolwiek elementów niezgodnych z dokumentacją układu może spowodować jego uszkodzenie, pożar lub wybuch. Opisany układ przeznaczony jest do zasilania konwencjonalnych żarówek (nazywanych obecnie „wstrząsoodporymi”). Dopuszcza się stosowanie żarówek halogenowych bez transformatora zasilającego. Inne odbiorniki prądu użytkownik podłącza do układu na własną odpowiedzialność.


    Fajne!
  • Arrow Multisolution Day
  • #2 26 Mar 2013 16:48
    Nathir
    Poziom 14  

    Opis rzeczywiście świetny. Zdaje się poprawny technicznie i jest zrozumiany w 100% przez ucznia 2 kl. technikum.

    Czy w schemacie "NOWY UKŁAD I" umieszczenie diody zenera po stronie katody diody prostowniczej (czyli za nią) nie poprawiłoby sprawności układu?

    Pozdrawiam

  • Arrow Multisolution Day
  • #3 26 Mar 2013 18:38
    Atreyu
    Poziom 22  

    Nathir napisał:
    Czy w schemacie "NOWY UKŁAD I" umieszczenie diody zenera po stronie katody diody prostowniczej (czyli za nią) nie poprawiłoby sprawności układu?

    Wprost przeciwnie, umieszczenie diody zenera równolegle do kondensatora CB spowodowało by drastyczne pogorszenie sprawności tego układu. Wprawdzie kondensator CA zastępuje w tym wypadku rezystor o oporności około 5kΩ, ale nie można rozpatrywać jego pracy w tym miejscu układu tak samo jak rezystora. Kondensator gromadzi ładunek, i jeżeli w jednej półfali go zgromadzi, to w przeciwnej musi zostać rozładowany. Własnie taką funkcję pełni dioda DA - stabilizuje napięcie jednej półfali, i zwiera druga półfalę przebiegu sieciowego.

  • #4 26 Mar 2013 19:19
    janusz27
    Poziom 30  

    Ja mam nieco inne pytanie. Dlaczego bezpiecznik jest umieszczony za układem a nie przed? Powinno być L->bezpiecznik->układ->N, a nie odwrotnie L->układ->bezpiecznik->N.

  • #5 26 Mar 2013 20:59
    Atreyu
    Poziom 22  

    Na żadnym schemacie nie oznaczyłem przewodu liniowego bo uważałem że układ edukacyjno-doświadczalny, którym może być ten projekt, i tak najprawdopodobniej zostanie podłączony do sieci dwużyłowym przewodem OMYp z zalewaną wtyczką, a wtedy nie sposób określić gdzie wystąpi potencjał linii. Dla samego układu elektronicznego nie ma znaczenia gdzie zostanie podłączony przewód neutralny a gdzie liniowy. Jeżeli rozpatrujemy układ pod kątem ochrony przed porażeniem i instalacji "trwałej" to chyba oczywistym jest że przewód liniowy L łączymy z bezpiecznikiem.

  • #6 28 Mar 2013 00:41
    94075
    Użytkownik usunął konto  
  • #7 28 Mar 2013 09:30
    androot
    VIP Zasłużony dla elektroda

    albertb napisał:
    Zaryzykowałbym nawet twierdzenie, że proponowane umieszczene bezpiecznika jest lepsze, gdyż po jego przepaleniu żaden punkt układu (oprócz R1) nie jest bezpśrednio połączony z siecią.
    Natomiast osobiście użyłbym zamiast 555 małego MCU nie jako przerost formy nad treścią, ale chociażby ze względu na to, że wysterowanie bramek triaków krótkimi impulsami włączającymi wyeliminowałoby konieczność użycia optotriaków.
    Podsumowując fajny i bardzo dobrze opisany projekt. Gratulacje dla autora.

    Albert


    Musiałbyś zrobić wykrywanie przejścia przez zero i podawać impulsy na początku każdej pół-sinusoidy (kiedy lampa ma świecić). Optotriaki robią to automatycznie.

  • #8 28 Mar 2013 13:20
    94075
    Użytkownik usunął konto  
  • #9 28 Mar 2013 13:57
    Atreyu
    Poziom 22  

    Sprawa zastosowania MCU wcale nie tak jednoznacznie rozwiązała by, tak wydawać by się mogło, prymitywnego problemu, ba - pojawiły by się wręcz nowe kłopoty. Analizowałem taki typ pracy układu w odniesieniu do wczesnej wersji bez transoptorów, chciałem się posiłkować komparatorem do wykrywania przejścia przez zero i generowania impulsów bramkujących.
    Odnosząc się do obciążeń całkowicie rezystancyjnych nie było by problemu z detekcją zera i generowaniem impulsu z MCU. Co jednak jeżeli obciążenie będzie miało charakter indukcyjny albo pojemnościowy? Pojawi się wówczas przesunięcie prądu względem napięcia, i wszystkie stałe czasowe zaszyte "na sztywno" w oprogramowaniu MCU mogą powodować problemy z otwieraniem triaka! MCU musiałby osobnym obwodem pomiaru prądu sprawdzać przesunięcie napięcia względem prądu i wyliczać odpowiedni moment pojawienia się szpilki. Ewentualnie można by zastosować metodę stosowaną w U2008B gdzie wyprowadzenie bramkujące jest jednocześnie wejściem pomiarowym napięcia na bramce, i wypadku wykrycia braku reakcji triaka na impuls wyzwalające tzw. re-triggering - ponowny impuls bramkujący.
    Rozwiązanie takie, acz możliwe do wykonania lub oprogramowania, odrzuciłem bo niepotrzebnie komplikowało by to układ, który nawet z nazwy jest BARDZO PROSTY. Uznałem więc że optotriak jest wystarczająco prostym, tanim i skutecznym wyeliminowaniem tych wszystkich problemów, bo zważywszy na swoją konstrukcję wyzwoli triak skutecznie, gdy tylko wystarczająco narośnie napięcie pomiędzy A2 a G. Po załączeniu triaka napięcie A2 i G spadnie do pomijalnej wartości i tym samym prąd bramki spadnie do ~zera formując w efekcie własnie szpilkę wyzwalającą.
    Dla mnie budowa samego układu sterownika reklamy była raczej sprawą drugorzędną. Podstawowe moje założenie przy budowie tego układziku to pokonać pewnego rodzaju strach czy też uprzedzenie do układów elektronicznych zasilanych bezpośrednio z sieci, a także sprawdzić jak się dokładnie steruje triakami, bo niestety do tej pory sprawa nie była dla mnie jasna (vide zakresy pracy triaka).

  • #10 28 Mar 2013 21:00
    94075
    Użytkownik usunął konto  
  • #11 06 Kwi 2013 19:46
    zorbek
    Poziom 30  

    Urządzenie użytkowane na zewnątrz więc raczej powinno posiadać zacisk PE.
    Dodatkowo wg sztuki zacisk fazowy powinien być w środku oprawy. a może się zdażyć że pojawi się na gwincie.

    Pozatym układ bardzo fajnie zaprojektowany i bez tych wrednych tyrystorów :)) Ten kto pamięta tyrystory w układach odchylania wie o czym mówię :0