Регулятор яркости ламп накаливания: приоритетные требования к разработке. Долговечность, устойчивость к скачкам сетевого напряжения. Схема и принцип работы, управление. Диодный мост, блок питания, микроконтроллер. Защита от превышения сетевого напряжения.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

• Введение
• 1. Постановка задачи
• 1.1 Технические характеристики
• 1.2 Достоинства
• 1.3 Схема и принцип работы
• 2. Управление
• 2.1 Включение и выключение
• 2.2 Регулировка яркости
• 2.3 Автоотключение
• 2.4 Имитация присутствия хозяев
• 3. Аппаратная часть
• 3.1 Диодный мост
• 3.2 Блок питания
• 3.3 Микроконтроллер
• 3.4 Делитель напряжения
• 3.5 Выходной каскад
• Транзисторы
• Резисторы в цепи затвора
• Лампы
• 3.6 Цепь защиты
• Защита от короткого замыкания нагрузки и превышения её мощности
• Защита от превышения сетевого напряжения
• 3.7 Расчёт потребляемой мощности
• 4. Программная часть
• 4.1 Блок-схема алгоритма
• 4.2 Описание программы
• 5. Особенности стабилизации яркости
• 6. Настройка
• Заключение
• Список литературы и полезные ссылки
• Приложение

Введение

Энергосбережение и повышение надёжности ламп, используемых в домашних светильниках, является важной чертой технических потребностей современного человека. Существуют различные разработки, позволяющие в той или иной мере реализовать эти задачи. Несмотря на бурное развитие сверхъярких светодиодов, в широкой продаже пока не появились светодиодные лампы, способные заменить бытовые лампы накаливания. Энергосберегающие люминесцентные лампы, при всех своих достоинствах, обладают, во-первых, высокой стоимостью, во-вторых, не поддаются классическому управлению яркостью освещения.

В последнее время управление яркостью света в помещении приобрело размах под эгидой проектов типа "Умный дом", призванных обеспечить автоматическое или автоматизированное управление бытовыми энергосистемами и иными удобствами. Отечественные и зарубежные регуляторы ламп накаливания имеют ряд недостатков:

управление только одним каналом - отсутствие стабилизации яркости - наличие помех, звон нитей ламп, жужжание встроенного фильтра

Эти же недостатки (либо все сразу, либо по отдельности) присущи схемам, опубликованным в радиолюбительской литературе, периодической печати и в Интернете.

регулятор лампа накаливание напряжение

1. Постановка задачи

В рассмотрение взят регулятор яркости ламп накаливания (за рубежом называемый "диммер" - dimmer), свободный от указанных недостатков. Данное устройство создано для установки в двухканальный светильник промышленного производства.

Приоритетные требования к разработке:

- Простота схемы (минимальное количество компонентов)

Малые размеры устройства - Широкий функционал, многообразие регулируемых параметров

Долговечность и устойчивость к скачкам сетевого напряжения - Отсутствие либо малый нагрев компонентов (пожаробезопасность) - Низкое энергопотребление

При проектировании устройства не ставилась задача минимизировать его стоимость.

Расширенный список функций - объясняется желанием дать возможность любому пользователю настроить и использовать устройство в соответствии со своими потребностями и желаниями, а не ограничиваться набором, который обычно закладывают производители.

Защита от повышения напряжения в сети - насущная необходимость, связанная с особенностями российского электроснабжения.

Небольшой нагрев компонентов:

во-первых, устройство должно работать круглосуточно, в том числе без присмотра,

во-вторых, для снижения потребляемой мощности (нагрев - это лишние потери),

в-третьих, для упрощения расчётов (везде подразумевалась температура окружающей среды 25°C).

Низкое энергопотребление и долговечность - без комментариев.

1.1 Технические характеристики

Разработанный в соответствии с перечисленными требованиями регулятор обладает следующими техническими характеристиками:

Количество каналов - 2

Мощность ламп - 60 Вт на каждый канал

Напряжение сети - 220 В±10%

Частота сетевого напряжения - 50 Гц±0,4 Гц

Потребляемая мощность - не более 0,92 Вт (при напряжении сети 220 В)

Диапазон регулировки напряжения - 12 - 88% (может быть расширен до 1,4 - 99,6%)

Изменение выходного напряжения в диапазоне входного от 198 В до 242 В - 1 В (при максимальной яркости лампы)

1.2 Достоинства

Помимо традиционных для данного класса устройств функций, таких, например, как плавное включение-выключение ламп и запоминание их яркости, в регуляторе реализованы дополнительные функции, перечисленные далее наряду с другими преимуществами:

Два независимых режима работы каждого канала

Возможность отключения запоминания яркости (для любого режима любого канала)

Автоматическое включение при возобновлении подачи электроэнергии (отключаемое)

Автоотключение по прошествии заданного интервала времени (два способа)

Имитация присутствия хозяев (возможен случайный выбор яркости и интервалов времени)

Отсутствие остродефицитных элементов

Дистанционное управление в список не входит, т.к. устройство предназначено для использования на расстоянии вытянутой руки.

1.3 Схема и принцип работы

Основу устройства, принципиальная схема которого изображена на Рис. 1, составляет микроконтроллер (далее по тексту МК) ATmega16L семейства AVR корпорации ATMEL. Управление осуществляется двумя не фиксируемыми в нажатом положении кнопками, по одной на каждый канал.

Рис. 1. Принципиальная схема диммера.

Регулировка мощности основана на реверсивном принципе управления фазой. Нагрузка включается в каждом полупериоде сети в момент перехода сетевого напряжения через нуль и выключается через определённый интервал времени в зависимости от требуемого уровня яркости. Коммутация нагрузки осуществляется мощными MOSFET транзисторами. Существующие разработки в этой области позволяют отметить такие преимущества:

- "мягкое" управление транзистором позволяет снизить уровень помех и звон нити лампы - не нужен громоздкий сетевой фильтр, снижающий эффективность и зачастую являющийся источником неприятного жужжания - благодаря нарастанию напряжения с нуля и малому звону нити, лампы служат намного дольше - для управления MOSFET транзистором требуется гораздо меньший ток - более низкое падение напряжения на переходе транзистора сокращает тепловыделение - отсутствие понятия "ток удержания" позволяет плавно регулировать малую яркость Стабилизация мощности (т.е. яркости) основана на использовании формулы P = U^2/R. Сопротивление нити R, конечно, зависит от температуры, а также изменяется в некоторых пределах в течение каждого полупериода, но по исследованиям различных разработчиков установлено, что на качестве стабилизации это не отражается.

Вместо напряжения можно было бы измерять ток через нагрузку, в соответствии с формулой P = I² R, но это требует дополнительного компонента (шунта), а выигрыша ни в чём не даёт.

Напряжение меряется не на самой лампе, а на выходе диодного моста, к которому она подключена. Это возможно, поскольку падение напряжения на канале транзистора мало и им можно пренебречь.

Максимальное напряжение, которое можно подать на лампу, несколько снижено, чтобы было за счёт чего осуществлять стабилизацию при уменьшении напряжения сети.

Диодный мост выполняет три функции:

- создаёт пульсирующее однополярное напряжение для питания нагрузки - выпрямляет сетевое напряжение для питания схемы - обеспечивает сетевое напряжение удвоенной частоты (100 Гц), используемое МК для определения момента перехода фазы сети через нуль.

Детектирование перехода сетевого напряжения через нуль осуществляется тем же делителем напряжения и тем же каналом встроенного в МК аналого-цифрового преобразователя (АЦП), которые предназначены для измерения напряжения на лампе. Это позволяет отказаться от встроенного в МК компаратора и уменьшить тем самым потребляемый ток. Фильтрация сетевых помех реализуется программно.

Блок питания выполнен по бестрансформаторной схеме с гасящим резистором (балластом). Строить блок питания по трансформаторной схеме не получится, т.к. не существует достаточно малогабаритных трансформаторов (максимально допустимая высота 13 мм). Использовать в качестве балласта конденсатор в данной схеме не получится, т.к. для этого требуются два диодных моста (один для блока питания, другой для ламп), особенности подключения которых могут привести к короткому замыканию.